Kết hợp việc xác định chiều cao khe nứt vào quy trình thiết kế nứt vỉa thủy lực theo phương pháp ufd (unified fracture design)

Sau đó, ta sử dụng giá trị chính xác hơn này của chiều cao khe nứt để cải tiến phương pháp UFD và đưa ra được một chương trình thiết kế nứt vỉa thủy lực hoàn chỉnh theo phương pháp UFD h

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: Tiến sĩ Đỗ Quang Khánh

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: Tiến sĩ Phùng Văn Hải

Cán bộ chấm nhận xét 1: Tiến sĩ Phạm Sơn Tùng

Cán bộ chấm nhận xét 2: Tiến sĩ Nguyễn Hữu Nhân

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 18 tháng 8 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TS Mai Cao Lân TS Tạ Quốc Dũng

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Thị Hải MSHV: 1570777 Ngày, tháng, năm sinh: 22/11/1987 Nơi sinh: N g hệ An Chuyên ngành: Kỹ thuật dầu khí Mã số: 60520604

I TÊN ĐỀ TÀI:

Kết hợp việc xác định chiều cao khe nứt vào quy trình thiết kế nứt vỉa thủy lực theo phương pháp UFD (Unified Fracture Design)

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nhiệm vụ: Xác định chiều cao khe nứt thích hợp dựa trên cơ sở lý thuyết cơ học

nứt đàn hồi tuyến tính thông qua việc giải hệ phương trình chiều cao cân bằng bằng phương pháp sốvà từ đó sử dụng giá trị chiều cao này cải tiến quy trình thiết

kế nứt vỉa thủy lực UFD nhằm xây dựng phương pháp UFD hiệu chỉnh

Nội dung:

- Lý thuyết về nứt vỉa thủy lực và cơ học liên quan đến nứt vỉa thủy lực Khảo sát phương pháp thiết kế bơm ép UFD Đặt vấn đề về dự đoán sự phát triển chiều cao khe nứt

- Xác định chiều cao khe nứt dựa trên cơ sở lý thuyết về cơ học nứt đàn hồi tuyến tính (LEFM) thông qua việc giải hệ phương trình chiều cao cân bằng bằng phương pháp số với sự trợ giúp của phần mềm Mathematica

- Từ đó sử dụng giá trị chiều cao này để cải tiến quy trình thiết kế nứt vỉa theo mô hình hai chiều PKN và phương pháp UFD, từ đó đưa ra quy trình bơm ép hoàn chỉnh theo phương pháp UFD hiệu chỉnh

pháp này Áp dụng thiết kế nứt vỉa thủy lực theo phương pháp UFD hiệu chỉnh cho giếng A thuộc bồn trũng Cửu Long, Việt Nam và so sánh với kết quả đã được thực hiện trước đó sử dụng phần mềm MFRAC (Baker Hughes) và thảo luận kết quả đạt được

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 2/2017

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 7/2017

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Đỗ Quang Khánh ; TS Phùng Văn Hải

Tp HCM, ngày tháng năm 2017

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS Đỗ Quang Khánh TS Mai Cao Lân

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2

TS Phùng Văn Hải

TRƯỞNG KHOA

TS Tạ Quốc Dũng

chiều cao khe nứt trong nứt vỉa thủy lực Đây là một mảng nghiên cứu còn khá mới

mẻ đối với học viên, cộng thêm những hạn chế về mặt thời gian và kiến thức, học viên gặp nhiều thử thách và khó khăn trong quá trình nghiên cứu Tuy nhiên với sự góp ý, hỗ trợ nhiệt tình về mặt kiến thức lý thuyết cũng như dữ liệu nghiên cứu từ

TS Đỗ Quang Khánh – ĐH Bách Khoa Hồ Chí Minh, TS Phùng Văn Hải và Thạc

sĩ Nguyễn Hữu Danh - Tổng công ty Thăm dò Khai thác Dầu khí PVEP, học viên

đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu Qua đây, học viên xin được bày tỏ lòng biết ơn

và gửi lời cảm ơn chân thành vì những sự giúp đỡ quý báu này

Học viên cũng xin được cảm ơn các thầy cô giáo chuyên ngành Kỹ thuật dầu khí - ĐH Bách Khoa Hồ Chí Minh đã nhiệt tình truyền đạt kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm quý giá trong quá trình học thạc sĩ tại trường từ 2015-2017

Cuối cùng, học viên xin cảm ơn gia đình đã ủng hộ và động viên học viên trong suốt quá trình làm luận văn

Học viên

Nguyễn Thị Hải

vỉa thủy lực Unified Fracture Design (UFD) Việc tính toán của phương pháp UFD dựa trên các mô hình nứt vỉa hai chiều PKN và KGD, tức là việc tính toán các thông

số chiều dài và chiều rộng dựa trên việc giả định rằng chiều cao khe nứt là đã biết

và là hằng số Điều này dẫn đến tính chính xác của chỉ số hạt chèn cũng như là khối lượng hạt chèn phụ thuộc vào tính chính xác của việc dự đoán thông số chiều cao khe nứt

Nghiên cứu này sẽ tập trung vào tính toán chính xác hơn giá trị chiều cao khe nứtdựa trên cơ sở lý thuyết về cơ học nứt đàn hồi tuyến tính (LEFM) thông qua việc giải hệ phương trình chiều cao cân bằng bằng phương pháp số với sự trợ giúp của phần mềm Mathematica Sau đó, ta sử dụng giá trị chính xác hơn này của chiều cao khe nứt để cải tiến phương pháp UFD và đưa ra được một chương trình thiết kế nứt vỉa thủy lực hoàn chỉnh theo phương pháp UFD hiệu chỉnh Các thông số của toàn

bộ chương trình bơm ép theo phương pháp UFD hiệu chỉnh sẽ được tính toán sử dụng bảng tính excel Bởi vì thông số chiều cao khe nứt vừa là giá trị đầu vào của phương pháp UFD dùng để tính các kích thước chiều dài và chiều rộng của khe nứt thông qua các mô hình 2D PKN hoặc KGD, đồng thời cũng là hàm của áp suất thực trong khe nứt được tính từ chiều rộng khe nứt như là một giá trị đầu ra, quy trình này là một bài toán lặp

Sau đó ta khảo sát hệ phương trình chiều cao cân bằng cho batrường hợp cụ thể để khảo sát khoảng có hiệu lực của áp suất thực khi áp dụng phương pháp này (tức là khoảng có nghiệm đơn của hệ phương trình) Cuối cùng là áp dụng thiết kế nứt vỉa thủy lực theo phương pháp UFD hiệu chỉnh cho một vỉa có độ thấm thấp với

mô hình khe nứt hai chiều PKN từ dữ liệu Tổng công ty Thăm dò Khái thác Dầu khí (PVEP) và so sánh với kết quả thực tế đã thực hiện trước đó theo phần mềm

MFRAC (của công ty Baker Hughes) và đưa ra các nhận xét, thảo luận

và số liệu sử dụng đều đƣợc dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của tôi

TP Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 7 năm 2017

Học viên thực hiện

Nguyễn Thị Hải

2.2 Các khái niệm cơ bản……… 6

2.2a Ảnh hưởng của ứng suất tại chỗ lên phương vị của khe nứt 7

2.2b Sơ đồ áp suất đối với sự phát triển khe nứt 7

2.4 Điều kiện tạo nứt vỉa theo lực kéo dọc trục 7

2.5 Phác họa sự phát triển khe nứt theo mô hình PKN 11

2.6 Phác họa sự phát triển khe nứt theo mô hình KGD 13

2.7 Chú thích khái niệm sử dụng cho thực hiện nứt vỉa 15

2.8 Chỉ số khai thác không thứ nguyên là hàm của dẫn suất khe nứt không thứ nguyên khi Nprop < 0.1 (Unified fracture design – trang 29) 16

2.9 Chỉ số khai thác không thứ nguyên là hàm của dẫn suất khe nứt không thứ nguyên khi Nprop > 0.1 (Unified fracture design – trang 30) 17

2.10 Đường cong nồng độ hạt chèn theo Nolte (1986) 19

2.11 Quy trình xác định chương trình bơm ép dựa trên các kích thước khe nứt từ UFD 21

2.12 Chú thích cho việc xác định chiều cao khe nứt (hệ có thứ nguyên) 25

2.13 Cường độ ứng suất ở các đỉnh bằng độ cứng khe nứt của lớp 26

2.14 Chú thích cho việc tính toán chiều cao khe nứt (hệ không thứ nguyên)…….26

2.15 Ví dụ về bản đồ chiều cao cho kết quả đa nghiệm (Valko’ and Economides, 1997)………29

2.17 Mô tả bước chuyển đổi hệ trục từ hệ z thứ nguyên sang hệ y không thứ nguyên……… 33

3.1 (Trên) Biểu diễn lưu lượng bơm ép và nồng độ hạt chèn thêm theo thời gian bơm ép - (Dưới) nửa chiều dài và độ rộng trung bình theo thời gian bơm ép trong trường hợp 1……… 45

3.2 (Trên) Biểu diễn lưu lượng bơm ép và nồng độ hạt chèn thêm theo thời gian bơm ép - (Dưới) nửa chiều dài và độ rộng trung bình theo thời gian bơm ép trong trường hợp 2……… 49

3.3 (Trên) Biểu diễn lưu lượng bơm ép và nồng độ hạt chèn thêm theo thời gian bơm ép - (Dưới) nửa chiều dài và độ rộng trung bình theo thời gian bơm ép trong trường hợp giếng A……… ……… 55

giá quy trình bơm ép sử dụng chương trình UFD hiệu chỉnh cho tất cả các trường hợp……… 40

3.2 Tóm tắt đặc tính đá vỉa được dùng để đánh giá quy trình bơm sử dụng chương trình UFD hiệu chỉnh cho tất cả các trường hợp………41

3.3 Tóm tắt các kích thước khe nứt và thông số cho hoạt động nứt vỉa trường hợp 1……… 42

3.4 Chương trình bơm ép cho trường hợp 1………43

3.5 Tóm tắt các kích thước khe nứt và thông số cho hoạt động nứt vỉa trường hợp 2……….…….46

3.6 Chương trình bơm ép cho trường hợp 2………47

3.7 Dữ liệu đầu vào của giếng A……….51

3.8 Tóm tắt các kích thước khe nứt và thông số cho hoạt động nứt vỉa trường hợp giếng A……….…….…….52

3.9 Chương trình bơm ép cho trường hợp giếng A……….53

3.10 So sánh kích thước khe nứt và các thông số khác từ chương trình UFD hiệu chỉnh và MFRAC cho giếng A……….56

asp = Tỉ số cạnh của khe nứt

A = Diện tích ảnh hưởng của vỉa, L2, acre

Af = Diện tích bề mặt khe nứt, L2, ft2

c = Nồng độ hạt chèn, m/L3, ppg

ce = Nồng độ hạt chèn khi kết thúc bơm ép, m/L3, ppg

cadded = Nồng độ hạt chèn thêm vào, m/L3, ppga

CfD = Dẫn suất khe nứt không thứ nguyên

CL = Hệ số mất dung dịch, L/t0.5, ft/min0.5

E = Mô đun đàn hồi, m/Lt2, psi

E’ = Mô đun biến dạng phẳng, m/Lt2, psi

fh = Chiều cao khe nứt, L, ft

hn = Độ dày tầng sản phẩm, L, ft

hp = Độ dày khoảng nứt vỉa, L, ft

∆hd = Khoảng phát triển khe nứt vào lớp biên dưới, L, ft

∆hu = Khoảng phát triển khe nứt vào lớp biên bên, L, ft

Ix = Tỉ số xuyên thấu

J = Chỉ số khai thác của giếng, L4t2/m, bbl/psi

JD = Chỉ số khai thác không thứ nguyên của giếng

k = Độ thấm vỉa vỉa, L2, md

kf = Độ thấm khe nứt đã chèn hạt, L2, md

K = Chỉ số sệt, m/Lt2, lbf/ ft2

KI = Cường độ ứng suất cho khe nứt mở, m/L0.5t2, psi-in0.5

KI, bottom = Cường độ ứng suất ở đỉnh dưới của khe nứt, m/L0.5t2, psi-in0.5

KI, top = Cường độ ứng suất ở đỉnh trên của khe nứt, m/L0.5t2, psi-in0.5

KIC = Độ cứng khe nứt, m/L0.5t2, psi-in0.5

KIC2 = Độ cứng khe nứt của lớp trên, m/L0.5t2, psi-in0.5

KIC3 = Độ cứng khe nứt của lớp trên, m/L0.5t2, psi-in0.5

K’ = Mô đun kết dính, m/L0.5t2, psi-in0.5

pb = Áp suất vỡ vỉa, m/Lt2, psi

pc = Áp suất đóng khe nứt, m/Lt2, psi

pcp = Áp suất ở trung tâm nứt vỉa, m/Lt2, psi

pr = Áp suất mở lại khe nứt, m/Lt2, psi

pnet = Áp suất thực ở trung tâm nứt vỉa, m/Lt2, psi

pn(y) = Áp suất thực ở bất kỳ vị trí nào theo phương y, m/Lt2, psi

qi = Lưu lượng bơm ép cho một cánh, L3/t, bbl/min

qp = Lưu lượng khai thác, L3/t, bbl/min

re = bán kính ảnh hưởng của vỉa, L, ft

Sf = Độ cứng của khe nứt, m/ L2t2, psi/in

Sp = Hệ số spurt loss, L, ft

te = Thời gian bơm ép, t, phút

tpaD = Thời gian bơm đệm, t, phút

x = Khoảng cách từ giếng, L, ft

xe = Chiều dài vỉa, L, ft

xf = Nửa chiều dài khe nứt, L, ft

y = Vị trí không thứ nguyên theo phương dọc

yd = Vị trí không thứ nguyên theo phương dọc của đáy nứt vỉa

yu = Vị trí không thứ nguyên theo phương dọc của đỉnh nứt vỉa

ym = Khoảng cách từ trung tâm khe nứt theo phương y, L, ft

η = Hiệu suất bơm ép

η0 = Tỉ số thể tích khe nứt giữa tầng sản phẩm thực và toàn khe nứt

∆ζd = Chênh lệch ứng suất giữa vỉa và biên dưới, m/Lt2, psi

∆ζu = Chênh lệch ứng suất giữa vỉa và biên trên, m/Lt2, psi

TÓM TẮT NỘI LUẬN VĂN v

LỜI CAM ĐOAN vi

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ……… ix

KÝ TỰ VIẾT TẮT……….x

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU ………1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài ……….1

1.2 Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài……… 1

1.3 Mục tiêu nghiên cứu………3

1.4 Phạm vi nghiên cứu ………3

1.5 Phương pháp nghiên cứu……….4

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn……….4

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT NỨT VỈA THỦY LỰC……… 5

2.1 Công nghệ nứt vỉa thủy lực ……… 5

2.2 Cơ học liên quan đến nứt vỉa thủy lực ……… 5

2.3 Các mô hình nứt vỉa hai chiều ………9

2.4 Phương pháp Unified fracture design (UFD) ………… 14

2.5 Xác định phương trình bơm ép ……….17

2.6 Dự đoán sự phát triển chiều cao khe nứt ……… 22

3.1 Khảo sát hệ phương trình chiều cao cân bằng với ba trường hợp nghiên cứu lý

thuyết ……… 39

3.2 Thiết kế nứt vỉa thủy lực theo phương pháp UFD hiệu chỉnh cho giếng A bồn trũng Cửu Long ……… 50

3.3 Thảo luận ……….57

CHƯƠNG IV KẾT LUẬN ………59

4.1 Kết luận ……….59

4.2 Kiến nghị ……… 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……….61

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong khi các phương pháp thiết kế nứt vỉa thủy lực hiện nay thường đề xuất lượng hạt chèn cần thiết để đạt được thiết kế tối ưu thì Economides, Oligney và Valko (2002) đã giới thiệu một cách tiếp cận mới phù hợp hơn với nhu cầu thực tiễn, nó xuất phát từ một lượng hạt chèn nhất định cho trước để xác định hình dạng tối ưu nhất của khe nứt nứt vỉa thủy lực Phương pháp này được gọi là Unified Fracture Design (UFD)

Kể từ khi Economides và n.n.k giới thiệu phương pháp UFD (Unified Fracture Design approach, 2002) tới nay, nó đã và đang được áp dụng ngày càng phổ biến Kết quả là có nhiều giếng đạt được hiệu quả, tuy nhiên cũng có giếng không hiệu quả Lý do cơ bản nằm ở một trong những điểm hạn chế chính của phương pháp này, đó là việc phải dự đoán thông số chiều cao khe nứt ngay từ ban đầu, xem nó là giá trị đầu vào sử dụng cho quá trình tính toán Vì việc dự đoán này chủ yếu phụ thuộc vào đặc điểm địa chất của thành hệ, kinh nghiệm cũng như số liệu giếng lân cận đã làm trước đó nên nó có thể không chính xác và điều này gây ảnh hưởng tới kết quả quá trình tính toán Chính vì vậy, hướng nghiên cứu liên quan đến việc dự đoán sự phát triển chiều cao khe nứt một cách hợp lý hơn nhằm đảm bảo tính chính xác hơn và tăng độ tin cậy của các thông số đầu ra của bài toán thiết

kế nứt vỉa thủy lực áp dụng phương pháp UFD rất được quan tâm và có nhiều bài báo liên quan đã xuất bản Luận văn thạc sĩ này cũng hướng về vấn đề xác định sự phát chiều cao khe nứt thông qua việc giải hệ phương trình chiều cao cân bằng trên

cơ sở lý thuyết cơ học nứt đàn hồi tuyến tính (LEFM) và phương pháp số, giảm sự phụ thuộc vào yếu tố kinh nghiệm chủ quan trong việc dự đoán chiều cao khe nứt

1.2 Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài

Dựa đoán sự phát triển chiều cao khe nứt một cách chính xác hơn cũng như đánh giá việc áp dụng phương pháp thiết kế nứt vỉa thủy lực theo UFD là những vấn

đề rất được quan tâm trong những năm gần đây trong lĩnh vực nứt vỉa thủy lực Sau đây, ta sẽ giới thiệu sơ bộ một số nghiên cứu liên quan:

Thiết kế nứt vỉa thủy lực tối ưu cho tầng oligocene dưới nhằm tăng cường khai thác dầu bằng phương pháp tối đa lợi nhuận ròng (Nguyễn Hữu Trường và n.n.k, Tạp chí dầu khí số 12/2015): Bài báo giới thiệu phương pháp nứt vỉa thủy lực

UFD của Economides và n.n.k để tối ưu khối lượng hạt chèn trên cở sở tối đa lợi nhuận ròng trong mười năm (được cho bởi hàm dạng parobol thể hiện mối tương quan giữa lợi nhuận ròng trong 10 năm và khối lượng hạt chèn) Ngoài ra, nhóm tác giả giới thiệu mô hình khe nứt 2D PKN để diễn tả độ lớn của khe nứt tương ứng với tối ưu khối lượng hạt chèn cho tầng oligocene có độ thấm thấp

Control of height growth in hydraulic fracturing (Kizza Francis Xavier, luận văn thạc sĩ, 2013): Trong luận văn này, tác giả giới thiệu và so sánh ưu và nhược

điểm của các mô hình khe nứt hai chiều (PKN, KGD) và ba chiều (Planar 3D, Pseudo-3D) Tiếp theo, tác giả tổng hợp các phương đo sự phát triển chiều cao khe nứt sau nứt vỉa thủy lực (các phương pháp đo địa vật lý và vi chấn) và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau của đặc tính thành hệ cũng như đặc tính bơm ép và hạt chèn đến sự phát triển chiều cao khe nứt

Hydraulic fracture production optimization with a Pseudo-3D model in Multi-layered lithology (Mei Yang, Peter P.Valko’and Michael J Economides, SPE

150002, 2012): Nghiên cứu này phát triển một phương pháp luận cho thiết kế nứt

vỉa thủy lực Pseudo-3D cho thành hệ đa lớp Phương pháp đưa ra bao gồm ba phần, quy trình xác định bản đồ chiều cao dựa trên cơ học nứt đàn hồi tuyến tính (LEFM)

và rời rạc hóa hình ảnh chiều cao khe nứt, sau đó sử dụng phương pháp thiết kế nứt vỉa thủy lực UFD để tính các kích thước khe nứt tối ưu Nghiên cứu này xem xét sự đóng góp của tất cả các lớp vào thông số cường độ ứng suất ở các đỉnh khe nứt để tính chiều cao cân bằng được xác định khi hiệu giữa cường độ ứng suất và độ cứng khe nứt đổi dấu

An improved equilibrium-height model for predicting hydraulic fracture height migration in multi-layer formations (Songxia Lieu and Peter P Valko’, SPE -173335-MS, 2015):Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã dự đoán sự phát triển

chiều cao khe nứt bằng việc giải hệ phương trình chiều cao cân bằng cho thành hệ 3 lớp và sau đó mở rộng cho thành hệ 6 lớp bằng phần mềm tính toán Mathematica trong đó có tính đến ảnh hưởng của áp suất thủy tĩnh, đặc tính vỉa và chất lưu vỉa

Stacked height model to improve fracture height growth prediction, and simulate interactions with multi-layer DFNs and ledges at weak zone (Charles- Edouard Cohen, Olga Kresse, and Xiaowei Weng, SPE – 184876-MS, 2017):Trong

nghiên cứu này, nhóm tác giả đã mô tả các hạn chế của mô hình Pseudo-3D so với

mô hình Planar-3D dẫn đến các kết quả không thực tế trong thiết kế nứt vỉa thủy lực

và giới thiệu khái niệm “Stacked Height Model” như là một sự cải tiến mô hình Pseudo-3D gốc giúp vượt qua các hạn chế trên Từ đó chứng minh khả năng áp dụng mô hình mới này vào các thành hệ địa chất khác nhau như các vỉa đa lớp có các khe nứt tự nhiên với dung dịch nứt vỉa ở các độ nhớt khác nhau

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu là đưa ra quy trình thiết kế nứt vỉa cải tiến dựa trên phương pháp Unified Fracture Design (UFD), được gọi là phương pháp UFD hiệu chỉnh Phương pháp UFD hiệu chỉnh này là sự kết hợp xác định chiều cao dựa trên việc giải hệ phương trình chiều cao cân bằng bằng phương pháp số cho thành hệ địa chất ba lớp, tầng mục tiêu có ứng suất nhỏ hơn hai lớp biên vào mô hình khe nứt 2D PKN và tính toán quy trình bơm ép theo cách tiếp cận UFD

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu này áp dụng cho các trường hợp thực hiện nứt vỉa thủy lực cho các thành hệ địa chất ba lớp, trong đó tầng mục tiêu có ứng suất tại chỗ nhỏ hơn ứng suất của hai lớp biên trên và biên dưới Sự chênh lệch ứng suất giữa tầng mục tiêu

và hai lớp biên phải nằm trong một khoảng nhất định (sẽ được trình bày kỹ trong các phần sau) Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của áp suất thủy tĩnh đối với áp

suất thực trong khe nứt nhưng không đánh giá ảnh hưởng của các thông số khác như

mô đun đàn hồi, thông số bơm ép cũng như dung dịch bơm ép và chất lưu vỉa

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là dựa trên cơ sở lý thuyết cơ học nứt đàn hồi tuyến tính (LEFM) và phương pháp số để tính chiều cao khe nứt

Sau đó dựa trên cơ sở lý thuyết của phương pháp UFD và mô hình khe nứt 2D PKN để cải tiến phương pháp này và đưa ra quy trình bơm ép hoàn chỉnh theo phương pháp UFD hiệu chỉnh

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

Đề tài đã phân tích được một hạn chế rất cơ bản của phương pháp UFD, đưa

ra được một quy trình tính toán hoàn chỉnh có kết hợp việc tính chính xác hơn thông

số chiều cao khe nứt dẫn đến kết quả đáng tin cậy, sát thực tế hơn của chương trình thiết kế nứt vỉa thủy lực Việc tính chính xác hơn giá trị chiều cao khe nứt còn giúp

dự đoán và ngăn cản sự phát triển khe nứt tới những tầng không mong đợi (mũ khí, nước…)

Phương pháp này sử dụng cách tiếp cận UFD rất phù hợp và có ý nghĩa về mặt thực tiễn Bởi vì UFD xác định sản lượng dầu khí tối đa khai thác được dựa một lượng hạt chèn xác định trước thay vì xác định khối lượng hạt chèn cần thiết cho một thiết kế nứt vỉa tối ưu như cách tiếp cận của hầu hết các phần mềm thương mại P3D hiện hành

Đây là một quy trình không quá phức tạp và yêu cầu ít hơn về số liệu đầu vào, có thể có tính ứng dụng cao trong việc tính toán nhanh những dự án nứt vỉa thủy lực, đặc biệt khi các dự án này trở nên phổ biến hơn theo yêu cầu của thị trường Ngoài ra bản chất tính toán đơn giản của quy trình này phù hợp cho việc áp dụng tại trường học phục vụ cho công tác học tập và nghiên cứu sâu hơn trong lĩnh vực nứt vỉa thủy lực

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT NỨT VỈA THỦY LỰC

2.1 Công nghệ nứt vỉa thủy lực

Đối với giếng có hệ số nhiểm bẩn thành hệ lớn vì dung dịch khoan hay giếng đặt ở thành hệ độ thấm thấp, người ta tạo ra một khe nứt cho chất lỏng đi qua và chảy vào giếng Làm vậy sẽ giảm sự chênh lệch áp suất yêu cầu cho chất lỏng từ vỉa chảy vào giếng Hay nói cách khác, chỉ số khai thác sẽ tăng lên Sau khi nứt vỉa, chế

độ dòng chảy thay đổi từ dòng chảy hướng tâm sang chảy thẳng Do đó, bán kính giếng không còn là một hạn chế nữa (do sự thay đổi cấu trúc dòng chảy)

Hình 2.1 – Cơ chế dòng chảy trước (trái) và sau (phải) nứt vỉa thủy lực 2.2 Cơ học liên quan đến nứt vỉa thủy lực

2.2.1 Các khái niệm cơ bản

Ứng suất : đại lượng biểu thị nội lực phát sinh trong vật thể biến dạng do tác

dụng của các nguyên nhân bên ngoài như tải trọng, sự thay đổi nhiệt độ, v.v

ζ = AF

Trong đó: ζ là ứng suất, F là lực và A diện tích bề mặt

Biến dạng: là tỉ số giữa sự biến dạng theo chiều dài và chiều dài ban đầu

𝛆 = δlL

Trong đó: δl là sự biến thiên về chiều dài, L là chiều dài ban đầu

Mô đun đàn hồi: mô tả đàn hồi dạng kéo, hoặc xu hướng của một vật thể bị

biến dạng dọc theo một trục khi các lực kéo được đặt dọc theo trục đó; nó được định nghĩa bằng tỷ số giữa ứng suất kéo cho biến dạng kéo

E = σε

Hệ số Poisson: là tỉ số giữa độ biến dạng hông tương đối và biến dạng dọc

trục tương đối (theo phương tác dụng lực) Khi một mẫu vật liệu bị nén (hoặc kéo) theo một phương thì nó thường có xu hướng co lại (hoặc giãn ra) tương ứng theo phương vuông góc với phương tác dụng lực nhưng cũng có trường hợp vật liệu nở

ra khi bị kéo và co lại khi bị nén Hệ số Poisson là để miêu tả cho xu hướng này

chính tại chỗ tối thiểu như trên hình 2.3a bởi vì như thế khe nứt sẽ chịu ít sự kháng

cự nhất và do đó mở ra theo hướng chống lại ứng suất nhỏ nhất Sau khi khe nứt được tạo ra, nó sẽ tiếp tục phát triển chừng nào áp suất còn lớn hơn ứng suất vuông góc với mặt phẳng khe nứt tương đương với áp suất đóng khe nứt Pc:

Hình 2.3a - Ảnh hưởng của ứng suất tại chỗ lên phương vị của khe nứt

Hình 2.3b – Sơ đồ áp suất đối với sự phát triển khe nứt

Hình 2.3b chỉ ra sơ đồ áp suất của sự phát triển khe nứt có thể đạt được từ hoạt động Mini-frac Dữ liệu từ phân tích Mini-frac được minh giải để xác định các ứng suất ban đầu: ứng suất tại chỗ tối thiểu ζh và ứng suất tại chỗ tối đa ζH Dung

dịch nứt vỉa được bơm vào giếng và được cấp áp suất để tạo ra khe nứt trong vỉa

Để tạo ra khe nứt trong vỉa, áp suất đáy giếng phải vượt qua áp suất vỡ vỉa (đỉnh của chu kỳ đầu tiên) Sau khi khe nứt được tạo ra, áp suất đáy giếng giảm và khe nứt tiếp tục phát triển vào trong vỉa Sau khi dừng bơm ta có thể tính được áp suất đóng khe nứt như hình 2.3b Chu kỳ thứ hai gần giống chu kỳ thứ nhất Tuy nhiên, nó yêu cầu áp suất đáy giếng thấp hơn pr để mở lại khe nứt đã tồn tại từ trước trong vỉa (pb>pr)

Giả sử nước không xâm nhập vào thành hệ, phương pháp đàn hồi có thể được sử dụng để xác định sự phân bố ứng suất quanh thành giếng (ζh và ζH) Ứng

suất nhỏ nhất tương đương với áp suất đóng vỉa Lực kéo đơn trục T0 có thể được xác định từ sự chênh lệch giữa áp suất vỡ vỉa và áp suất mở lại khe nứt Theo điều kiện tạo nứt vỉa theo lực kéo dọc trục như trên hình 2.4, ứng suất ở thành giếng theo mặt phẳng vuông góc với ứng suất tại chỗ tối thiểu (điểm A) sẽ tương đươngvới cường độ kéo đơn trục

3ζ H -ζ h

ζh

Hình 2.4 – Điều kiện tạo nứt vỉa theo lực kéo dọc trục

Các phương trình theo lời giải đàn hồi:

Các phương trình theo lời giải đàn hồi được sử dụng để tính cường độ đất đá thành hệ Ứng suất tại chỗ tối thiểu được sử dụng để xác định hình dạng khe nứt Thông tin này cần thiết cho việc xác định quy trình bơm ép/xử lý

Tuy nhiên, mini-frac được thực hiện để xác định độ cứng khe nứt của thành

hệ Độ cứng khe nứt là đặc tính miêu tả khả năng của đất đá chống lại nứt vỡ Nó

được ký hiệu là K ic và có đơn vị là Pa 𝑚 hoặc psi 𝑖𝑛 Độ cứng khe nứt càng cao

thì khe nứt càng khó phát triển vào trong thành hệ Thông số này phải được tính không chỉ cho tầng nứt vỉa mà còn cho cả lớp biên trên và biên dưới bởi vì những giá trị này cần thiết cho việc tính chiều cao theo hệ phương trình chiều cao cân bằng

sẽ được miêu tả chi tiết ở phần xác định chiều cao khe nứt

2.3 Các mô hình nứt vỉa hai chiều

Mô hình phát triển khe nứt được sử dụng trong kỹ thuật nứt vỉa thủy lực dựa trên sự kết hợp của các tiêu chuẩn đàn hồi, dòng chảy, cân bằng vật chất và phát triển khe nứt thêm vào Với các đặc tính của dung dịch bơm ép, lưu lượng bơm ép

và đất đá thành hệ cho trước, một mô hình sẽ dự đoán sự thay đổi trong các kích thước khe nứt và áp suất vỉa

Đối với mục tiêu thiết kế, hình dạng gần đúng của khe nứt là đủ Trong nghiên cứu này, chương trình nứt vỉa kết hợp sự xác định quy trình xử lý dựa trên khối lượng hạt chèn và chiều cao nứt vỉa cho trước Với khối lượng hạt chèn và chiều cao nứt vỉa cho trước như vậy, nửa chiều dài khe nứt có thể được xác định sử dụng phương pháp UFD Sau khi chiều dài khe nứt được xác định, các mô hình phát triển khe nứt đơn giản hai chiều sẽ được sử dụng để dự đoán chiều rộng khe nứt nứt vỉa thủy lực sau khi dừng bơm

Các mô hình mô phỏng sự phát triển khe nứt này dựa trên các giả thuyết về biến dạng phẳng được chia thành hai loại:

- Điều kiện biến dạng phẳng theo phương ngang

- Điều kiện biến dạng phẳng theo phương thẳng đứng

Nếu ta xem xét một kênh đàn hồi vô hạn và các thành phần theo phương ngang biến dạng độc lập với nhau và không có biến dạng theo phương dọc thì nó được gọi là biến dạng phẳng theo phương ngang Tất cả các thành phần z của tensor biến dạng biến mất

Đối với hình dạng biến dạng phẳng theo phương ngang, các lớp phía trên và phía dưới của các tầng nứt vỉa biến dạng độc lập với nhau Điều này xảy ra do sự trượt tự do giữa các lớp hoặc khe nứt phát triển xuyên vào theo phương ngang nhỏ hơn rất nhiều so với phương dọc

Đối với biến dạng phẳng theo phương dọc, mỗi mặt phẳng cắt ngang theo phương dọc biến dạng độc lập với nhau Điều này xảy ra khi sự xuyên thấu theo phương ngang lớn hơn rất nhiều theo phương dọc

Perkins và Kern (1961) đặt giả thuyết là khe nứt theo phương dọc với chiều cao nứt vỉa không đổi phát triển trong thành hệ kín hoàn toàn Mô hình PKN giả sử điều kiện biến dạng phẳng trong mọi mặt phẳng vuông góc với hướng phát triển khe nứt tức là mặt cắt ngang theo chiều dọc một cách độc lập và không bị ảnh hưởng bởi xung quanh Thêm vào giả thuyết biến dạng phẳng này, áp suất dung dịch nứt vỉa được giả sử là hằng số theo mặt cặt dọc vuông góc với hướng phát triển khe nứt Mặt cắt dọc khe nứt này là dạng elip với chiều rộng lớn nhất ở trung tâm tỉ lệ thuận với áp suất thực tại điểm đó

Hình 2.5 – Phác họa sự phát triển khe nứt theo mô hình PKN

𝜕𝑥 = - 4µ𝑞𝑖

A

Kết hợp công thức 2.12 và 2.14 và điệu kiện áp suất thực bằng 0 ở đỉnh, sơ

đồ độ rộng khe nứt tối đa ở bất kỳ vị trí nào theo hướng phát triển khe nứt được tính như sau:

Giả sử q i , x f và E’ đã biết trước, ẩn số duy nhất trong công thức 2.16 cho việc

tính toán chiều rộng khe nứt tối đa là µ Sử dụng công thức độ nhớt Newton tương đương cho chất lỏng Power law chảy trong mặt cắt hình ellip có hạn:

Kristianovich và Zheltov (1955) đưa ra một phương pháp tính toán sự phát triển khe nứt nứt vỉa thủy lực với giả thuyết biến dạng phẳng theo phương ngang Kết quả là, chiều rộng khe nứt không phụ thuộc vào chiều cao khe nứt, ngoại trừ qua điều kiện biên ở thành giếng Đặc tính khe nứt theo mô hình KGD như hình 2.6 Khe nứt có mặt cắt hình chữ nhật và chiều rộng của nó là hằng số trong mặt phẳng theo phương dọc bởi lý thuyết dựa trên điều kiện biến dạng phẳng ngang Gradient

áp suất chất lỏng theo hướng phát triển khe nứt được xác định bởi sự kháng cự dòng chảy trong khe hẹp hình chữ nhật với chiều rộng thay đổi theo phương dọc Chiều rộng theo KGD được xác định như sau:

w w,0 = 3.22(𝜇 𝑞𝑖𝑥𝑓

2 𝐸′𝑕𝑓) 1/4 (2.21)

Chiều rộng khe nứt trung bình của mô hình này (không có thành phần theo phương dọc) được tính như sau:

𝑤 = γ𝑤𝑤,0 = 𝜋

4𝑤𝑤,0 (2.22)

Hình 2.6 – Phác họa sự phát triển khe nứt theo mô hình KGD

Công thức cuối cùng dùng xác định chiều rộng khe nứt tối đa của mô hình KGD là:

w w,0 = 3.242+2𝑛𝑛 11.12+2𝑛1 𝐾2+2𝑛1 (1+2𝑛𝑛 )2+2𝑛𝑛 (𝑞𝑖𝑛𝑥𝑓2

𝐸 ′ 𝑕𝑓𝑛)2+2𝑛1 (2.23)

2.4 Phương pháp Unified Fracture Design (UFD)

Economides và n.n.k (2002) đã giới thiệu khái niệm được gọi là Unified Fracture Design (UFD) Đó là một phương pháp xác định các kích thước của khe nứt tối ưu sau nứt vỉa với một lượng hạt chèn cho trước Về mặt kinh tế, điều này nhằm tối đa khả năng vỉa tức là là tối đa lưu lượng khai thác Thông số thể hiện lưu lượng khai thác rất tốt là chỉ số khai thác Chỉ số khai thác càng cao thì lưu lượng càng nhiều Trong phương pháp UFD, chỉ số khai thác không thứ nguyên được tính như sau:

C fD là dẫn suất khe nứt không thứ nguyên

Tỉ số xuyên thấu là tỉ lệ giữa chiều dài khe nứt 2x f với chiều dài vỉa tương

đương x e Dẫn suất khe nứt không thứ nguyên là tỉ lệ của khả năng chảy từ khe nứt vào giếng và từ vỉa vào khe nứt như ở công thức 2.26 Mối tương quan giữa chiều dài vỉa tương đương và bán kính vỉa như ở công thức 2.28 và hình 2.7

Hình 2.7 – Chú thích khái niệm sử dụng cho thực hiện nứt vỉa

Thế công thức 2.26 và 2.27 vào 2.25 ta được mối tương quan để xác định chỉ

toàn bộ khe nứt Để sử dụng khối lượng hạt chèn để tính V prop, ta cần nhân tỉ lệ của chiều cao thực với chiều cao khe nứt

số xuyên thấu, nửa chiều dài khe nứt và chiều rộng khe nứt đã chèn có thể được tính theo các công thức 2.25, 2.26 và 2.27 Sau khi tính được các kích thước trên, quy trình xử lý phải được xác định dựa trên hình dạng khe nứt này để đạt được chỉ số khai thác tối đa

Ngoài ra, chỉ số khai thác có thể tính được thông qua các mối tương quan với các thông số CfD, Ix, Nprop như được trình bày chi tiết ở hai bài báo SPE 50421 và

73758 của nhóm tác giả Economides và n.n.k

Hình 2.8 – Chỉ số khai thác không thứ nguyên như là hàm của dẫn suất khe nứt không thứ nguyên khi N prop < 0.1 (Unified fracture design – trang 29)

Hình 2.9 – Chỉ số khai thác không thứ nguyên như là hàm của dẫn suất khe nứt không thứ nguyên khi N prop > 0.1 (Unified fracture design – trang 30) 2.5 Xác định chương trình bơm ép

Mục đích của thiết kế nứt vỉa thủy lực là xác định thể tích dung dịch và hạt chèn cần thiết để tạo ra được khe nứt với kích thước và dẫn suất mong muốn

Tổng thời gian bơm ép là một trong những thông số quan trọng của thiết kế nứt vỉa Tổng thời gian bơm ép bắt đầu từ khi bơm đệm đến khi hoàn thành việc bơm ép toàn bộ hạt chèn vào khe nứt Phương trình bảo toàn vật chất 2.31 được sử dụng để tính tổng thời gian bơm ép:

Thể tích bơm ép = Thể tích khe nứt + Mất dung dịch + Spurt Loss (2.31)

Trong đó: spurt loss là phần dung dịch mất ngay khi vừa bơm ép (tức là ngay trước khi bắt đầu quá trình mất dung dịch thông thường)

Giải phương trình 2.33 ta được tổng thời gian bơm ép

Theo Nolte (1986), chương trình hạt chèn được xác định dựa trên các giả thiết sau:

- Hạt chèn điền đầy toàn bộ chiều dài tạo thành

- Phân bố hạt chèn đồng nhất cho đến kết thúc bơm ép

- Chương trình hạt chèn nên là dạng hàm mũ bị trễ (delayed power law) với số

mũ ε và phần dung dịch đệm là tương đương

Số mũ của đường cong nồng độ hạt chèn (xem hình 2.10) được tính từ hiệu

Hình 2.10 – Đường cong nồng độ hạt chèn theo Nolte (1986)

Thể tích dung dịch đệm VpaD và thời gian bơm dung dịch đệm tpaD (fpaD trong hình) có thể được xác định sử dụng số mũ của đường cong nồng độ hạt chèn đạt được từ công thức 2.34

Như yêu cầu, tất cả hạt chèn được bơm vào trong khe nứt tạo thành và phân

bố đồng nhất cho đến khi kết thúc bơm Kết quả là nồng độ hạt chèn lúc hoàn thành được tính bằng khối lượng hạt chèn chia cho thể tích khe nứt

c e = 𝑀𝑝𝑟𝑜𝑝

Kết hợp tổng thời gian bơm ép từ công thức 2.33, thời gian bơm đệm từ công thức 2.36 và nồng độ lúc kết thúc quá trình bơm ép từ công thức 2.38, đường cong nồng độ hạt chèn hoặc chương trình bơm ép tương tự như hình 2.10 có thể được tính sử dụng tương quan sau:

c = c e ( 𝑡−𝑡𝑝𝑎𝐷

Để tính khối lượng hạt chèn và phần dung dịch sạch (tức phần dung môi chưa trộn hạt chèn) cho mỗi giai đoạn, sẽ thuận tiện hơn nếu nồng độ hạt chèn được

chuyển đổi sang khối lượng hạt chèn được thêm vào mỗi đơn vị phần chất lỏng sạch

M prop, stage = c added V stage (2.42)

Quy trình xác định chương trình bơm ép để đạt được các kích thước khe nứt cung cấp chỉ số khai thác tối đa có thể được tóm tắt như sơ đồ hình 2.11

Hình 2.11 – Quy trình xác định chương trình bơm ép dựa vào các

kích thước khe nứt từ UFD

Bắt đầu

Xác định Nproptừ Mprop sử dụng công thức 2.29

Sử dụng Npropđể đánh giá JDtối ưu và CfDthông qua hình 2.8 và 2.9

Xác định xftương ứng với CfDtối ưu

Giải phương trình 2.33 ta được te

Tính tpaD và VơaDsử dụng phương trình 2.36 và 2.37

Tính toán cesử dụng phương trình 2.38

Sử dụng phương trình 2.39 xác định quy trình bơm ép

Xác định thể tích dung dịch sạch và khối lượng hạt chèn cho mỗi giai

đoạn sử dụng phương trình 2.41 và 2.42

Kết thúc

2.6 Dự đoán sự phát triển chiều cao khe nứt

Việc dự đoán hình dạng hợp lý của khe nứt là cần thiết để đạt được thiết kế nứt vỉa thủy lực phù hợp với thực tế Nửa chiều dài khe nứt được xác định dựa trên dẫn suất khe nứt không thứ nguyên tương ứng với chỉ số khai thác tối đa Dựa theo nửa chiều dài tối ưu cùng với lịch sử của dung dịch nứt vỉa, chiều rộng khe nứt có thể được tính sử dụng mô hình phát triển hai chiều PKN và KGD

Có một số biểu hiện từ đo logs trong quá trình khai thác và các kỹ thuật đánh giá khác cho thấy rằng các khe nứt thủy lực thường kết thúc trước khi phát triển xa vào các lớp biên không thấm Kết quả là để giúp các kỹ sư xác định thiết kế nứt vỉa

dễ dàng hơn, chiều cao khe nứt được giả sử là hằng số và tương đương với độ dày danh nghĩa tầng sản phẩm Tuy nhiên, điều này chỉ xảy ra khi sự chênh lệch về đặc tính đá vỉa và thành hệ biên, như là ứng suất tại chỗ và mô đun đàn hồi rất cao hoặc xảy ra hiện tượng trượt bề mặt Sự xuất hiện của trượt bề mặt có thể dẫn đến kết thúc phát triển khe nứt ngay lập tức

Anderson (1981) và Teufel và Clark (1984) thấy rằng sự bắt giữ tại giao diện được kiểm soát bởi ứng suất trượt ma sát lên bề mặt phân cách Khi lực ma sát nhỏ, ứng suất kéo không thể dễ dàng chuyển qua mặt phân cách và sự trượt rất dễ xảy ra Kết quả là việc phát triển khe nứt sẽ dừng ở mặt phân cách Mặt khác, khi lực ma sát lớn, mặt phân cách rõ ràng và ứng suất dễ dàng được chuyển qua.Ứng suất trượt

ma sát như được miêu tả ở công thức 2.43 phụ thuộc vào ứng suất pháp hiệu dụng lên bề mặt phân cách Từ công thức có thể thấy rằng sự cắt trượt dễ xảy ra chỉ khi ứng suất trượt ma sát nhỏ:

Bởi vì mặt phân cách thường theo phương ngang, ứng suất pháp hiệu dụng luôn bằng với lực nén ép của lớp đất đá bên trên Dưới điều kiện bình thường, điều này thường chỉ đúng ở độ sâu không lớn nơi mà ứng suất của lớp đất đá phía trên