Nghiên cứu ứng dụng bơm ép khí đồng hành trở lại vỉa nhằm nâng cao hệ số thu hồi dầu và hiệu quả kinh tế khai thác mỏ nhỏ cận biên tại mỏ xx bể cửu long

Luận văn bao gồm mở ñầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, danh mục các hình vẽ – bảng biểu và phần nội dung chính gồm 3 chương: Chương 1: Các phương pháp khai thác thu hồi tăng

NGHIÊN CỨU ỨNG D

LẠI VỈA NHẰM NÂNG CAO H

QUẢ KINH TẾ KHAI THÁC M

NGHIÊN CỨU ỨNG D

LẠI VỈA NHẰM NÂNG CAO H

QUẢ KINH TẾ KHAI THÁC M

TS Dương Danh Lam (ký tên):

Luận văn thạc sĩ ựược bảo vệ tại HỘI đỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN

THẠC SĨ TRƯỜNG đẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 14 tháng 1 năm 2012 Thành phần Hội ựồng ựánh giá luận văn thạc sĩ bao gồm:

1 TS Trần Văn Xuân

2 TSKH Trần Lê đông

3 TS Mai Cao Lân

4 TS Bùi Thị Luận

- -oOo -

Tp HCM, ngày 14 tháng 1 năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: PHÙNG THÁI HÀ Phái: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1980 Nơi sinh: THÁI BÌNH

Chuyên ngành: ðỊA CHẤT DẦU KHÍ ỨNG DỤNG

MSHV: 03608456

1- TÊN ðỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BƠM ÉP KHÍ ðỒNG HÀNH TRỞ

LẠI VỈA NHẰM NÂNG CAO HỆ SỐ THU HỒI DẦU VÀ HIỆU QUẢ KINH TẾ

KHAI THÁC MỎ NHỎ/CẬN BIÊN TẠI MỎ XX – BỂ CỬU LONG

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

• Thu thập và xử lí thông tin, dữ liệu về phương pháp tận dụng khí ñồng hành ñang áp dụng; về các mỏ lân cận; về mỏ và vỉa chứa; về kỹ thuật và công nghệ bơm ép khí và bơm ép khí ñồng hành

• Khái quát về phương án phát triển mỏ, ñánh giá kinh tế phương

án kết nối xuất bán khí ñồng hành còn dư sau khi ñã sử dụng khí cho nhu cầu nội mỏ

• Phân tích cơ sở lý thuyết việc gia tăng hệ số thu hồi dầu bằng phương pháp bơm khí ñồng hành vào vỉa chứa

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 4/7/2011

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/1/2012

(Họ tên và chữ ký)

KHOA KỸ THUẬT ðỊA CHẤT VÀ DẦU KHÍ

(Họ tên và chữ ký)

Sau hơn một năm làm việc nghiêm túc, luận văn cao học với ñề tài “Nghiên cứu

ứng dụng bơm ép khí ñồng hành trở lại vỉa nhằm nâng cao hệ số thu hồi dầu và hiệu

quả kinh tế khai thác mỏ nhỏ/cận biên tại mỏ XX – Bể Cửu Long”, ñã hoàn thành với

sự hướng dẫn khoa học của:

• TS Mai Cao Lân – Khoa Kĩ thuật ðịa chất và Dầu khí, trường ðại

học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh

Kết quả này ñạt ñược không chỉ dựa trên nỗ lực của bản thân tác giả mà còn có

sự giúp ñỡ, ñộng viên, cảm thông rất lớn của các bạn ñồng nghiệp, thầy cô trong khoa

và gia ñình

Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy TS Mai Cao Lân, ñã tận tình theo dõi,

hướng dẫn và góp ý trong suốt quá trình thực hiện luận văn Cảm ơn Thầy, TS Trần

Văn Xuân luôn theo dõi và hướng dẫn trong cả khóa học Cảm ơn Thầy, PSG.TS Nguyễn Việt Kỳ ñã nâng ñỡ và giúp ñỡ Cảm ơn các Thầy phản biện TS Dương Danh Lam, Ts Nguyễn Chu Chuyên Cảm ơn các thầy cô, cán bộ trong bộ môn ðịa

chất Dầu khí, bộ môn Khoan Khai Thác ñã góp ý giúp luận văn hoàn thiện hơn

ðồng thời, tác giả cũng xin cảm ơn các anh em, bạn bè, ñồng nghiệp tại các công

ty dầu khí Lam Sơn JOC, VSP và Công ty Schlumberger Việt Nam ñã nhiệt tình giúp

ñỡ trong thời gian thu thập tài liệu và viết luận văn

Xin chân thành cảm ơn!

Tp.HCM, ngày 16 tháng 12 năm 2011

Học viên thực hiện

Phùng Thái Hà

Luận văn ñược thực hiện với mục tiêu nghiên cứu phương pháp nâng cao hiệu quả kinh tế của dự án bằng cách gia tăng hệ số thu hồi và giảm thiểu lỗ do xây dựng ñường ống xuất bán khí ñồng hành thông qua việc bơm khí trở lại mỏ ñồng thời ñáp ứng các qui ñịnh về bảo vệ môi trường của nhà nước và ngành trong việc

xử lí khí ñồng hành

Luận văn bao gồm mở ñầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, danh mục các hình vẽ – bảng biểu và phần nội dung chính gồm 3 chương:

Chương 1: Các phương pháp khai thác thu hồi tăng cường bằng bơm ép

khí – chương này cung cấp cái nhìn tổng quát về quá các phương pháp phổ biến ñang ñược áp dụng ñối với bơm ép khí,

ñồng thời thảo luận về bản chất các phương pháp

Chương 2: ðặc ñiểm ñịa chất và công nghệ mỏ X Tính toán yếu tố kinh tế

của phương án tận dụng khí ñồng hành (ñấu nối vào hệ thống

ñường ống của các mỏ lân cận hay bơm ép trở lại vỉa) cũng như

phân tích các số liệu thí nghiệm ñối với mẫu lõi, xác ñịnh áp suât trộn lẫn tối thiểu ñể chọn ra phương pháp bơm ép khí tối

ưu…

Chương 3: Xây dựng và chạy mô mô phỏng cho mỏ X phần mềm mô

phỏng Eclipse ñể ñánh giá hiệu suất dịch chuyển, khí xâm nhập sớm và hệ số thu hồi tăng cường

The thesis was conducted to study methods of handling associated gas by injecting back to reservoir to comply with environmental requirement of the Petroleum laws and evaluate its economical impact

re-The thesis was constituted of introduction, conclusion, recommendation, references, pictures, tables and the main content, which consisted of 3 chapters

Chapter 1: EOR by gas injection methods – This chapter provides an

overall view on popularly applied methods of gas injection and the natures of each method

Chapter 2: Geological and Engineering features of the oil field XX

Economical calculation of different gas utilization options

Chapter 3: Reservoir Simulation Model of field XX to evaluate

displacement efficiency, gas breakthrough and EOR

Tôi, Phùng Thái Hà (MSHV 03608456), học viên cao học chuyên ngành ðịa chất Dầu khí ứng dụng khóa 2007, xin cam ñoan rằng luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi với sự hướng dẫn và phản biện của các các bộ hướng dẫn và phản biện như ñược nêu trong phần phiếu chấm luận văn Luận văn có sử dụng số liệu các số liệu thực tế và ñược tuân thủ ñúng yêu cầu quản lý thông tin

Các tài liệu trích dẫn trong luận văn ñược ghi rõ ràng ñầy ñủ nguồn gốc và thông tin trích dẫn

Học viên thực hiện

Phùng Thái Hà

Nhiệm vụ Luận văn Thạc sỹ i

CHƯƠNG 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC THU HỒI TĂNG CƯỜNG BẰNG BƠM ÉP KHÍ

1.1 Tổng quan về các giai đoạn khai thác dầu khí……… 1

1.1.1 Giai đoạn khai thác sơ cấp……… 2

1.1.2 Giai đoạn khai thác thứ cấp 2

1.1.3 Giai đoạn thu hồi tăng cường 2

1.2 Thu hồi tăng cường bằng bơm ép khí hịa tan 4

1.2.1 Giới thiệu chung về đẩy dầu bằng quá trình hịa tan 5

1.2.2 Các nguyên tắc của đặc tính pha liên quan đến hịa tan 8

1.2.3 Quá trình hịa tan ngay (FCM) 12

1.2.4 Quá trình hịa tan đa tiếp xúc (MMC) 16

1.2.4.1 Cơ chế đẩy dầu bằng bơm khí nghèo (lean gas) 17

1.2.4.2 Cơ chế đẩy dầu bằng khí được làm giàu 22

1.2.4.3 Cơ chế đẩy dầu bằng khí CO2 24

1.3 Phương pháp đo và dự đốn áp suất hịa tan tối thiểu 27

CHƯƠNG 2 ðẶC ðIỂM ðỊA CHẤT BỒN TRŨNG CỬU LONG VÀ KHU VỰC MỎ XX ðẶC ðIỂM CƠNG NGHỆ PHÁT TRIỂN MỎ XX PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ KHÍ ðỒNG HÀNH 2.1 ðặc điểm địa chất bồn trũng Cửu Long 29

2.1.1 Vị trí địa lý 29

2.1.2 Cấu trúc địa chất 29

2.1.3 Các thành tạo địa chất 33

2.1.4 Lịch sử phát triển địa chất 37

2.3 Vấn ñề khí ñồng hành 46

2.4.1 Giếng chứa khí 47

2.4.2 Hóa lỏng khí dư 47

2.4.3 Bán khí dư vào trong bờ 47

2.4.4 CDM project 47

2.4.5 Bơm ép khí vào vỉa ñể tăng cường thu hồi 49

2.4.5.1 Tính kinh tế 49

2.4.5.2 Thí nghiêm PVT và Core flooding 50

2.4.5.3 Kết luận 55

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU BƠM ÉP KHÍ ðỒNG HÀNH THÔNG QUA MÔ HÌNH ðỘNG 3.1 Mục tiêu và phương pháp tiến hành 56

3.2 Chuẩn bị số liệu cho mô hình 58

3.2.1 Hiệu chỉnh mô hình 59

3.2.2 Tính chất của ñá và chất lưu 61

3.3 Phương án cơ sở 64

3.4 Chạy mô hình dự báo với bơm ép khí ñồng hành 70

3.4.1 Phân tích ảnh hưởng vủa vị trí giếng bơm ép ñến kết quả bơm ép 70

3.4.2 Phương án bơm ép khí có bổ sung từ nguồn khác 81

3.4.2.1 Bổ sung script cho Eclipse ñể sử dụng khí bổ sung 81

3.4.2.2 Bơm ép toàn bộ khí bổ sung 83

3.4.2.3 Bơm ép muộn 85

3.4.3 Khảo sát và phân tích ảnh hưởng của THP tối ña 87

3.4.3.1 Giới hạn THP ở 4000 psi 88

3.4.3.2 Giới hạn THP ở 3000 psi 91

3.4.3.3 Giới hạn THP ở 2500 psi 93

3.4.3.4 Giới hạn THP ở 2000 psi 95

3.5 Nhận xét kết quả 97 Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Hình 1.1 Các giai ñoạn khai thác của vỉa

Hình 1.2 Các phương pháp thu hồi dầu tăng cường

Hình 1.3 Minh họa quá trình FCM với LPG và khí khô

Hình 1.4 ðẩy dầu bằng khí hòa tan

Hình 1.5 Hình minh họa sơ ñồ pha P/T cho hệ ña thành phần cố ñịnh

Hình 1.6 Biểu ñồ minh họa áp suất/thành phần ñối với hỗn hợp của C1 và pha

lỏng của C1,n-C4,C10Hình 1.7 Minh họa tác ñộng của thành phần khí ñối với áp suất tới hạn ñỉnh Hình 1.8 Trạng thái pha của hệ ethane/heptanes và ñường tới hạn

Hình 1.9 ðường ñặc tính pha của hệ methane/butane/decane

Hình 1.10 Sơ ñồ của hệ ba thành phần C1,n-C4, n-C10 tại 280oF và 2500 psia Hình 1.11 Minh họa sự hòa tan – không hòa tan của a)Methane b) LPG + Oil

c)Methan + Propan Hình 1.12 Biểu ñồ pha ñối với quá trình hòa tan ngay (FCM)

Hình 1.13 ðường giới hạn áp suất ñỉnh ñối với methane và các chất có tiềm

năng làm nút ñẩy khác C2, C3, n-C4, n-C5Hình 1.14 Sơ lược về sự tập trung của quá trình chuyển dich hòa tan khi nút ñẩy

tiến trong vỉa Hình 1.15 Sơ ñồ ba thành phần giả ñối với dich chuyển bằng khí nghèo – có xảy

ra hòa tan Hình 1.16 Quá trình cao áp trong sơ ñổ ba thành phần giả - không xảy ra hòa tan Hình 1.17 Ảnh hưởng của áp suất ñến ñường ñặc tính pha của hệ C1, C4,C10

Hình 1.18 Khí ñược làm giàu trong biểu ñồ hệ ba thành phần

Hình 1.19 Minh họa quá trình bơm ép khí CO2

Hình 1.20 Sơ ñồ thiết bị slim-tube

Hình 1.21 Kết quả thử ống slim

Hình 2.1 Hình vẽ phân vùng cấu trúc bồn trũng Cửu Long

Hình 2.2 Cột ñịa tầng tổng hợp của bồn trũng Cửu Long

Hình 2.3 Vị trí mỏ XX và vùng lân cận

Hình 2.4

Hình 2.7 Mặt cắt mỏ XX qua hai giếng khoan - Vỉa Oligocene hạ Hình 2.8 Mặt cắt của mỏ XX qua ba giếng trong móng

Hình 2.9 Sơ ñồ một phương án ñấu nối ñể xuất bán khí dư

Hình 2.10 Minh họa các thiết bị dùng trong thí nghiệm

Hình 2.11 Kết quả xác ñịnh MMP

Hình 3.1 Sơ ñồ khối trình tự các bước tiến hành chạy mô phỏng Hình 3.2 Phân bố bão hòa ban ñầu

Hình 3.4 Phân bố của các ñứt gãy chính

Hình 3.7 Mối liên hệ ñộ rỗng – ñộ thấm9

Hình 3.8 số liệu SCAL dùng trong mô hình9

Hình 3.9 Sơ ñồ pha của chất lưu trong mô hình

Hình 3.10 số liệu PVT từ mẫu lõi

Hình 3.11 Vị trí giếng khoan khai thác mỏ XX

Hình 3.12 Kết quả của chay mô hình phương án cơ sở

Hình 3.18 Kết quả chạy mô phỏng của một số vị trí giếng bơm ép thẳng so sánh

với phương án cơ sở ( Dầu, khí khai thác cộng dồn và sản lượng ngày)

Hình 3.19 Kết quả chạy mô phỏng của một số vị trí giếng bơm ép thẳng so sánh

với phương án cơ sở (P, BHP, THP) Hình 3.20 Kết quả mô phỏng một số vị trí giếng bơm ép nghiêng so sánh với

phương án cơ sở ( Dầu, Khí khai thác cộng dồn và sản lượng ngày) Hình 3.21 Kết quả mô phỏng một số vị trí giếng bơm ép nghiêng so sánh với

phương án cơ sở (P, BHP, THP) Hình 3.22 Vị trí 11 có áp suất ñáy giếng vượt quá ñiều kiện THP

Hình 3.23 Các vị trí 11, 16, 17 không thỏa mãn ñiều kiện ñối với lượng khí

ñược bơm ép

Hình 3.24 Kết quả mô phỏng phương án bơm ép ở vị trí 21

Hình 3.25 Kết quả mô phỏng phương án bơm ép ở vị trí 21

Hình 3.26 Bơm ép toàn bộ khí bổ xung vào XX-Oligocen

Hình 3.27 Bơm ép muôn với các thời ñiểm bắt ñầu khác nhau

Hình 3.28 Áp suất vỉa trong phương án cơ sở

Hình 3.29 Bơm ép với áp suất tối ña 4000 psi

Hình 3.30 Bơm ép với áp suất giới hạn THP 3000 psi

Hình 3.31 Bơm ép với áp suất giới hạn THP 2500 psi

Hình 3.32 Bơm ép với áp suất giới hạn THP 2000 psi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Dữ liệu mỏ XX

Bảng 2.2 So sánh chi phí giữa các phương án xử lý khí ñồng hành9

Bảng 2.3.Thành phần của khí ñồng hành, dầu thô và chất lưu sau tái hợp9

Bảng 2.4 Thành phần của khí bơm ép (khí nghèo)

Bảng 2.5 Thí nghiệm trương nở của dầu9

Bảng 2.6 ðo ñộ nhớt của dầu hoạt ñộng và dầu trương nở9

Bảng 2.7 Tóm tắt kết quả thực nghiệm ñẩy dầu bằng khí hòa tan của mỏ XX9

Bảng 3.1 Thể tích ban ñầu

Bảng 3.2 Thể tích sau khi hiệu chỉnh9

Bảng 3.3 Khí bổ xung từ các nguồn khác

MMC: Multi-Contact Miscibilty

FMC: First Contact Miscibiltiy

MMP: Minimum Misible Pressure

THP: Tubing Head Pressure

LPG: Liquefied Petroleum Gas

MMscf: Million standard cubic feet

GOR: Gas-Oil Ratio

FPD: Field Development Plan

Stbd: Standard Barrel Oil per day

BHP: Bottom Hole Pressure

DST: Drill sterm Test

Opex: Operation Expenditure

Capex: Capital Expenditure

1 Tắnh cấp thiết của luận văn

Theo một thống kê, sẽ vẫn còn ựến gần 2.2 nghìn tỉ thùng dầu thông thường Ờ conventional oil ( từ trữ lượng dầu khắ ựã ựược chứng minh) và khoảng gấp ựôi con số

ựấy ựối với dầu nặng sẽ còn nằm lại trong vỉa sau khi áp dụng các phương pháp khai

thác sơ cấp và thứ cấp Bằng các phương pháp thu hồi tăng cường - Enhanced Oil Recovery (EOR)- chúng ta có thể thu hồi một phần ựáng kể lượng dầu trên Việc lựa chọn phương pháp tăng cường thu hồi dầu nào và mức ựộ thu hồi phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố kỹ thuật, công nghệ cũng như kinh tế Áp dụng phương pháp tăng cường thu hồi, hệ số thu hồi ựược tăng lên ựáng kể phụ thuộc vào ựặc tắnh của chất lưu:

Hình M1: Ước tắnh hệ số thu hồi trong các giai ựoạn khai thác với các lọai Hydrocarbon khác nhau

Hiện nay có 13 mỏ/cụm mỏ dầu ựang khai thác ở thềm lục ựịa Việt Nam bao gồm: Bạch Hổ, Rồng, Rạng đông, Phương đông, Hồng Ngọc, Sư Tử đen, Sư Tử Vàng, Cá Ngừ Vàng, đại Hùng, cụ mỏ PM3 CAA-46 Cái Nước, Sông đốc và Chim Sáo Ngoài ra còn có một lượng condensate thu hồi từ khai thác các mỏ khắ Lan Tây, Rồng đôi Ờ Rồng đôi Tây và lượng nhỏ dầu khai thác từ nước ngoài ( lô PM304 Ờ Malaysia) Tỷ lệ sản lượng khai thác cộng dồn so với trữ lượng thu hồi cuối cùng theo tắnh toán của các mỏ ựến hết năm 2010 cho thấy sản lượng dầu ở Viet Nam ựang trong giai ựoạn suy giảm Thời gian tới dù có thêm các mỏ mới ựược ựưa vào khai thác nhưng do quy mô sản lượng nhỏ nên sẽ không góp phần nâng cao sản lượng khai thác toàn ngành Vì vậy một trong những nhiệm vụ trọng tâm hiện nay của ngành Dầu Khắ

các phương pháp thu hồi tăng cường (Lê Ngọc Sơn, 2010)

đặc trưng của giai ựoạn khai thác tăng cường là bơm ép vào vỉa các chất lưu

nhằm tăng hiệu suất quét, hiệu suất ựẩy hoặc cả hai nhờ vào sự thay ựổi các ựặc trưng

cơ bản của chất lưu như sức căng bề mặt, ựộ nhớt, tắnh dắnh ướt, tỷ số linh ựộng Các phương pháp thu hồi tăng cường ngoài mục ựắch bổ sung năng lượng vỉa còn tạo ựiều kiện thuận lợi cho quá trình thu hồi dầu nhờ sự tương tác các chất lưu ựược bơm ép với dầu và ựa tầng chứa Các tương tác này làm giảm ựáng kể sức căng bề mặt của các pha, làm giãn nở dầu, giảm ựộ nhớt, giảm khả năng dắnh ướt, tăng hiệu suất quét, giảm hiện tượng phân tỏa dạng ngón bằng cách duy trì ựộ linh ựọng và sự khác biệt về tỷ trọng hợp lắ giữa các chất lưu tương tác

Bể Cửu long là một Bể trầm tắch đệ tam chứa dầu lớn nhất Việt Nam ựã và

ựang ựược khai thác dầu khắ từ nhiều ựối tượng chứa khác nhau như cát kết Mioxen,

cát kết Oligoxen và ựá móng nứt nẻ Bên cạnh những mỏ dầu lớn như: Bạch Hổ, Sư

Tử đen, Sư Tử Vàng, đông Nam Rồng v.v thì có rất nhiều mỏ có quy mô trữ lượng nhỏ, cận kinh tế, trong ựó có mỏ XX (Phan Văn đoàn, Phan Ngọc Trung, Nguyễn Hữu Trung , 2010)

Khắ ựồng hành là phần khắ hòa trong dầu khai thác ựược tách ra trên bề mặt trong ựiều kiện bình thường Về cơ bản khắ này có nhiều lợi ắch và quý vì chúng ựược

sử dụng như một dạng nhiên liệu và khắ nén cho khai thác Tuy nhiên, với trường hợp lượng khắ dư ắt, giá xuất bán khắ không ựủ thu hồi chi phắ bỏ ra xây dựng ựường ống xuất khắ thì nó lại trở thành trở ngại cho việc phát triển những mỏ nhỏ - cận biên (marginal) vốn ựã có ựộ nhạy cảm kinh tế rất cao

Việc nghiên cứu áp dụng công nghệ bơm ép khắ ựồng hành lại vỉa có khả năng giải quyết ựược 2 vấn ựề: nâng cao hệ số thu hồi dầu và không phải ựầu tư xây dựng

ựường ống xuất/bán khắ

Phương pháp thu hồi tăng cường bằng bơm ép khắ như ựã nói ở trên ựã không còn mới trên thế giới nhưng việc áp dụng lại khá hạn chế do nhiều lắ do Trong ựiều

của Luật Dầu Khắ và qui ựịnh của ngành trong bảo vệ môi trường, việc sử lắ khắ ựồng

hành ựối với các mỏ nhỏ và cận biên trở nên một vấn ựề cấp thiết

- Tổ chức, cá nhân tiến hành hoạt ựộng dầu khắ phải sử dụng kỹ thuật, công nghệ tiên tiến, tuân thủ các quy ựịnh của pháp luật Việt Nam về bảo vệ tài nguyên, bảo vệ môi trường, an toàn cho người và tài sản

( điều 4 Ờ Luật Dầu Khắ 2009)

- Tổ chức, cá nhân tiến hành hoạt ựộng dầu khắ phải có ựề án bảo vệ môi trường, thực hiện tất cả các biện pháp ựể ngăn ngừa ô nhiễm, loại trừ ngay các nguyên nhân gây ra ô nhiễm và có trách nhiệm khắc phục hậu quả do sự cố ô nhiễm môi trường gây ra

( điều 5 Ờ Luật Dầu Khắ 2009)

Mỏ XX và nhiều mỏ nhỏ khác ở bể Cửu long nằm phân tán xa ựường ống dẫn

khắ hiện có trong khu vực tới vài chục km Với giá thành như hiện nay, mỗi km ựường

ống phải ựầu tư trên dưới 1 triệu USD thì việc xuất bán khắ của các dự án này có thể lỗ

nặng điều này có thể làm giảm tắnh kinh tế hoặc làm dự án hoàn tòan không có hiệu

quả kinh tế và không phát triển ựược

Việc tiến hành nghiên cứu chi tiết phương án bơm ép khắ ựồng hành với số liệu

thực tế là rất cần thiết ở Việt Nam Kết quả và phương pháp nghiên cứu sẽ giúp các

công ty ựang tiến hành thăm dò, phát triển và khai thác có thêm phương án lựa chọn

trong việc tăng cường thu hồi cũng như ựáp ứng các qui ựịnh về bảo vệ môi trường

đó là lý do tác giả chọn ựề tài luận văn: ỘNGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BƠM ÉP

KHÍ đỒNG HÀNH TRỞ LẠI VỈA NHẰM NÂNG CAO HỆ SỐ THU HỒI DẦU

VÀ HIỆU QUẢ KINH TẾ KHAI THÁC MỎ NHỎ/CẬN BIÊN TẠI MỎ XX Ờ

BỂ CỬU LONGỢ

2 Mục tiêu của luận văn

Nghiên cứu phương pháp nâng cao hiệu quả kinh tế của dự án bằng cách gia

tăng hệ số thu hồi và giảm thiểu lỗ do xây dựng ựường ống xuất bán khắ ựồng hành

thông qua việc bơm khắ trở lại mỏ ựồng thời ựáp ứng các qui ựịnh về bảo vệ môi

trường của nhà nước và ngành trong việc xử lắ khắ ựồng hành

Thu thập và xử lắ thông tin, dữ liệu về phương pháp tận dụng khắ ựồng

hành ựang áp dụng; về các mỏ lân cận; về mỏ và vỉa chứa; về kỹ thuật và công nghệ bơm ép khắ và bơm ép khắ ựồng hành

Khái quát về phương án phát triển mỏ, ựánh giá kinh tế phương án kết

nối xuất bán khắ ựồng hành còn dư sau khi ựã sử dụng khắ cho nhu cầu nội mỏ

Phân tắch cơ sở lý thuyết việc gia tăng hệ số thu hồi dầu bằng phương

pháp bơm khắ ựồng hành vào vỉa chứa

Mô tả và phân tắch kết quả thắ nghiệm xác ựịnh áp suất trộn lẫn tối thiểu

đưa ra các kết luận về tắnh khả thi của phưong án bơm ép trộn lẫn dựa

trên sơ ựồ thiết kế công nghệ sẵn có

Phân tắch, Lựa chọn ựối tượng vỉa chứa, khu vực vỉa ựể có thể thực hiện

công tác bơm ép khắ

Xây dựng mô hình ựông nghiên cứu các phương án bơm ép khắ như số

lượng, vị trắ, lưu lượng giếng bơm ép đánh giá kết quả thu ựược qua hiệu suất khắ bơm ựược (trên phần trăm lương khắ khai thác ựược) và hệ

số thu hồi dầu tăng cường Tối ưu hóa các tham số bơm ép

Tắnh tóan kinh tế cho các phương án phát hiển mỏ khác nhau khi xuất

bán khắ, không bơm ép và bơm ép khắ lại vỉa

4 Khu vực nghiên cứu

Vùng nghiên cứu ựược giới hạn trong phạm vi tầng chứa Oligocene, mỏ XX, thuộc bồn trũng Cửu Long

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

Ý nghĩa khoa học: Thu hồi tăng cường là trọng tâm trong các phương pháp khai thác hiện tại giúp nâng cao hệ số thu hồi Trong các phương pháp thu hồi tăng cường, bơm ép khắ ựồng hành là một phương án ựáng ựược nghiên cứu trên nhiều phương

pháp tăng cường thu hồi bằng bơm ép khí, ñồng thời chỉ ra những nhược ñiểm và phạm vi ứng dụng của phương pháp Luận văn có thể ñược dung làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu có liên quan cũng như có thể ñược dung làm tài liệu học tập cho sinh viên chuyên ngành

Ý nghĩa thực tế: luận văn giúp ñánh giá khả năng ứng dụng phương pháp bơm

ép khí ñồng hành trở lại vỉa làm giảm ô nhiễm môi trường, tránh lãng phí năng lượng nếu ñốt khí ñồng hành Nếu thành công, nghiên cứu sẽ mở ra một hướng ñi mới, một giải pháp ñể phát triển các mỏ nhỏ với chi phí tối ưu nhưng vẫn tuân thủ các quy ñịnh, pháp luật Việt Nam

6 Cơ sở tài liệu của luận văn

Tài liệu ñể thực hiện luận văn này bao gồm:

Các nghiên cứu về phương pháp tăng cường thu hồi bằng bơm ép khí trước ñó:

- Các luận văn thạc sĩ, luận án tiến sĩ của trường ðH Bách Khoa TpHCM và ðH Stanford (California, USA) về thu hồi tăng cường và thu hồi tăng cường bằng bơm ép khí

- Các bài báo SPE và AAPG về các ứng dụng thực tế của phương pháp tăng cường thu hồi trên thế giới

- Các báo cáo trong Tuyển tập báo cáo Hội Nghị KHCN quốc tế “Dầu khí Việt Nam 2010: Tăng tốc phát triển”

- Các sách giáo khoa về khai thác và thu hồi tăng cường

Các tài liệu thực tế về mỏ X: Các báo cáo ODP, FDP…

6.1 ðiểm qua các tài liệu

Dưới ñây tác giả sẽ ñiểm qua những tài liệu/báo cáo co nội dung liên quan

Ờ JOGMEC; Nguyễn Văn Toàn Ờ PVN; Phan Ngọc Trung Ờ VPI; Y Ueda, Y Kawahara Ờ JX NOEX) (Tuyển tập báo cáo hội nghị KHCN quốc tế " Dầu Khắ

Việt Nam 2010: tăng tốc phát triển", 2010)

Nghiên cứu ựánh giá tắnh khả thi của việc bơm ép khắ CO2 như một giải pháp thu hồi tăng cường Nghiên cứu ựược thực hiện trên số liệu của mỏ Rạng

đông vào năm 2008 Nghiên cứu ựược tiến hành qua các bước nghiên cứu trong

phòng thắ nghiệm ựể xác ựịnh áp suất trộn lẫn tối thiểu (MMP) và sức căng bề mặt; chạy mô phỏng cho toàn mỏ ựể xác ựịnh số lượng giếng khoan bơm ép, chu

kỳ bơm ép khắ nước luân phiên (WAG), thời gian bơm ép Cuối cùng xác ựịnh

ựược tổng lượng CO2 bơm ép và lượng dầu gia tăng so với phương án bơm ép nước Bơm ép CO2 gặp trở ngại lớn trong việc cung cấp khắ CO2 dẫn tới chi phắ cao, không khả thi về mặt kinh tế Nghiên cứu cũng ựánh giá việc bơm ép khắ

ựồng hành ựược làm giàu bằng LPG hoặc condensate Cho thấy có hiệu quả gia

tăng hệ số thu hồi và chi phắ ựầu tư thấp hơn

6.1.2 Hiện trạng và tiềm năng gia tăng thu hồi dầu tại Việt Nam (Lê Ngọc Sơn, Vũ Thành Ờ PVN) (Tuyển tập báo cáo hội nghị KHCN

quốc tế " Dầu Khắ Việt Nam 2010: tăng tốc phát triển", 2010)

Báo cáo chỉ ra tắnh cấp thiết của việc áp dụng các phương pháp khai gia tăng thu hồi trước việc sản lượng khai thác của Việt Nam ựang trên ựà tụt giảm Các phương pháp tăng cường thu hồi ở Việt Nam mới chỉ ựược triển khai nghiên cứu hoặc thử nghiệm tại mỏ với quy mô nhỏ Báo cáo tổng kết các biện pháp, bao gồm từ khoan giếng thân ngang, công tác thứ cấp và tiềm năng áp dụng phương pháp khai thác tam cấp ở Việt Nam

6.1.3 để phát triển công nghệ tăng thu hồi dầu (Phan Văn đoàn,

Phan Ngọc Trung, Nguyễn Hữu Trung , 2010) (Tuyển tập báo cáo hội nghị

phương pháp tăng thu hồi và nêu ra một số kết quả thu ựược trong nghiên cứu áp dụng công nghệ

6.1.4 Lessons Learnt From Nine Years of Immiscible Gas Injection Performance and Sector Modeling Study of Two Pilots in a Heterogeneous Carbonate Reservoir (Konwar, SPE, Syed Tariq, SPE, Sameer

Khan, SPE, Gary Steven Kompanik, SPE, Mourad Bengherbia, SPE, ZADCO

and Majid Faskhoodi, SPE, Schlumberger, 2011)

Những kết luận và bài học rút ra từ dự án thử nghiệm khai thác thứ cấp và tăng cường thu hồi từ một mỏ dầu lớn ở ngoài khơi Abu Dhabi qua 9 năm Các phương án bơm ép khắ và khắ/nước ựã ựược thử nghiệm và cho kết quả ựáng khắch lệ

6.1.5 Miscible Gas Injection Study in a Naturally Fractured Reservoir: A Case Study (B Moradi, SPE, Iranian Central Oil Fields

Company, and H Tousinia, 2010)

Bơm ép khắ là phương pháp ựược sử dụng rộng rãi nhất trong ựối với tăng cường thu hồi dầu nhẹ Nhưng phần lớn dầu ựược khai thác ở Trung đông là từ vỉa ựá carbonate dập vỡ, nứt nẻ Sử dụng khắ bơm ép trong vỉa ựá nứt nẻ không phổ biến bằng trong vỉa ựá có một ựộ thấm truyền thống 3 hiện tượng là gas channeling (tạo rãnh khắ), fingering (khắ tỏa ngón) và phân dị trọng lực có thể

ảnh hường ựến hệ số thu hồi nhất là ựối với vỉa nứt nẻ do có ựộ thấm theo

phương ựứng cao và ựá không ựồng nhất

Trong nghiên cứu trên, khắ hòa tan/không hòa tan ựược nghiên cứu ựối với vỉa ựá nứt nẻ bằng mô phỏng (compositional simulation) 3 phương án ựã

ựược nghiên cứu và so sánh Ờ khai thác tự nhiên, bơm ép khắ hòa tan, bơm ép

7 Phương pháp nghiên cứu

Phân tích, tổng kết kinh nghiệm bơm ép khí nói chung và khí ñồng hành

nói riêng vào vỉa với mục ñích gia tăng hệ số thu hồi dầu

Thu thập và xử lý các tài liệu thí nghiệm: Xử lí và nghiên cứu các tài liệu

thí nghiệm mẫu lõi ñể tìm ra áp suât trộn lẫn tối thiểu (MMP), hiệu suất chuyển dịch

Xây dựng mô hình ñộng ñối với vỉa làm nghiên cứu ñể ñánh giá thể tích

chuyển dịch, khí xâm nhập sớm và hệ số thu hồi tăng cường

Phân tích, ñánh giá và ñối sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật các phương án

phát triển mỏ trong ñiều kiện xử lý khí ñồng hành khác nhau

8 Cấu trúc luận văn

Luận văn bao gồm mở ñầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, danh mục các hình vẽ – bảng biểu và phần nội dung chính gồm 3 chương:

Chương 1: Các phương pháp khai thác thu hồi tăng cường bằng bơm ép

khí – chương này cung cấp cái nhìn tổng quát về quá các phương pháp phổ biến ñang ñược áp dụng ñối với bơm ép khí,

ñồng thời thảo luận về bản chất các phương pháp

Chương 2: ðặc ñiểm ñịa chất và công nghệ mỏ X Tính toán yếu tố kinh tế

của phương án tận dụng khí ñồng hành (ñấu nối vào hệ thống

ñường ống của các mỏ lân cận hay bơm ép trở lại vỉa) cũng như

phân tích các số liệu thí nghiệm ñối với mẫu lõi, xác ñịnh áp suât trộn lẫn tối thiểu ñể chọn ra phương pháp bơm ép khí tối

ưu…

sớm và hệ số thu hồi tăng cường

9 Những ñiểm mới của luận văn

Luận văn giúp ñánh giá khả năng ứng dụng phương pháp bơm ép khí ñồng hành trở lại vỉa làm giảm ô nhiễm môi trường, tránh lãng phí năng lượng nếu ñốt khí ñồng hành Nếu thành công, nghiên cứu sẽ mở ra một hướng ñi mới, một giải pháp ñể phát triển các mỏ nhỏ với chi phí tối ưu nhưng vẫn tuân thủ các quy ñịnh, pháp luật Việt Nam

CHƯƠNG 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI

THÁC THU HỒI TĂNG CƯỜNG BẰNG BƠM ÉP KHÍ

1.1 Tổng quan về các giai ñoạn khai thác dầu khí

Quá trình khai thác dầu khí ñược chia thành ba giai ñoạn chính: sơ cấp, thứ cấp và thu hồi tăng cường

Hình 1.1: các giai ñoạn khai thác của vỉa 11

1.1.1 Giai ñoạn khai thác sơ cấp

Khi áp suất vỉa ban ñầu lớn hơn tổng tổn thất áp suất của dòng chảy từ ñáy giếng lên bề mặt vỉa thì vỉa ñược khai thác bằng chính các nguồn năng lượng của vỉa.Các nguồn năng lượng này bao gồm:

- Nguồn năng lượng chuyển dịch gồm: năng lượng mũ khí và năng lượng tầng nước ñáy thường gặp ở giai ñoạn ñầu của quá trình khai thác

- Nguồn năng lượng cạn kiệt: gồm năng lượng khí hòa tan và trọng lực thường gặp ở giai ñoạn cuối khai thác mỏ

Nguồn năng lượng tự nhiên của vỉa sẽ giảm dần trong quá trình khai thác ñến một thời ñiểm nhất ñịnh, giai ñoạn khai thác sơ cấp sẽ chấp dứt vì không kinh tế Hệ

số thu hồi dầu phụ thuộc vào chế ñộ năng lượng vỉa, ñặc tính của ñá tầng chứa và lưu chất vỉa và có thể ñạt ñược 10%

1.1.2 Giai ñoạn khai thác thứ cấp

Khi áp suất vỉa giảm dần, ñể duy trì quá trình khai thác thì áp suất vỉa phải ñược duy trì thông qua quá trình bơm ép các chất lưu (nước, không khí) vào vỉa bao gồm các phương pháp bơm ép nước và khí khác nhau hệ số thu hồi dầu trong cả hai giai

ñoạn sơ cấp và thứ cấp thường khoản 15 – 60% sản lượng ban ñầu trong vỉa

Sau nhiều năm khai thác, chất lưu bơm ép xâm nhập vào giếng khai thác trong khi vẫn còn lượng dầu (khoảng 2/3 ñến 3/4) rất lớn trong vỉa ñể nâng cao hệ số thu hồi dầu, người ta tiếp tục áp dụng phương pháp thu hồi dầu tăng cường

1.1.3 Giai ñoạn thu hồi tăng cường

ðặc trưng của giai ñoạn này là bơm ép vào vỉa các chất lưu không có trong vỉa

nhằm tăng hiệu suất quét, hiệu suất ñẩy hoặc cả hai nhờ vào sự thay ñổi các ñặc trưng

cơ bản của chất lưu trong vỉa như sức căng bề mặt, ñộ nhớt, tính dính ướt, tỷ số linh

ñộng Tuy nhiên trong trường hợp dầu có ñộ nhớt cao thì dầu không thể tự chảy vào

giếng bằng năng lượng tự nhiên của vỉa hoặc do quá trình bơm ép thì các giai ñoạn sơ cấp và thứ cấp có thể bỏ qua trong trường hợp này phương pháp thu hồi tăng cường

ñược sử dụng

Các phương pháp thu hồi tăng cường ngoài mục ñích bổ sung năng lượng vỉa còn tạo ñiều kiện thuận lợi cho quá trình thu hồi dầu nhờ sự tương tác các chất lưu

ñược bơm ép với dầu và ñá tầng chứa Các tương tác này làm giảm sức căng bề mặt

của các pha, làm giản nở dầu, giảm ñộ nhớt, giảm khả năng dính ướt, tăng hiệu suất quét, giảm hiện tượng phân tỏa dạng ngón bằng cách duy trì ñộ linh ñộng và sự khác biệt về tỷ trọng hợp lí giữa các chất lưu tương tác

Hình 1.2: Các phương pháp thu hồi dầu tăng cường 11

Có thể sử dụng các phương pháp thu hồi dầu tăng cường khác nhau phụ thuộc vào tính chất của vỉa cũng như của dầu trong vỉa, nhưng mục ñích chính là làm tăng hiệu suất quét và hiệu suất ñẩy từ ñó tăng khả năng di chuyển dầu vào trong giếng khai

Tăng cường hiệu suất quét

Tăng cường hiệu suất ñẩy

Thay ñổi tính dính ướt của ñá vỉa

Giảm sức căng bề mặt giữa các chất lưu

Sử dụng chất lưu ñẩy có khả năng trộn lẩn Bơm ép CO2

Dùng các chất hoạt tính bề mặt

Bơm ép khí hydrocarbon, N2

thác Trên có sơ trên có thể nêu một số phương pháp thu hồi dầu tăng cường chẳng hạn như:

Phương pháp hóa học: Sử dụng các chất hoạt tính bề mặt làm tăng tính linh ñộng của dầu và tăng hệ số rửa của nước Sử dụng hóa chất (polymer) ñể bơm ép vào vỉa nhằm ñẩy dầu hay bơm ép chất kiềm nhằm giảm sức căng bề mặt dầu nước

Phương pháp nhiệt: dành cho dầu nặng bao gồm phương pháp bơm ép chất lưu nóng và phương pháp ñốt tại chỗ nhằm làm giảm ñộ nhớt

và gia tăng tỉ số linh ñộng của dầu

Phương pháp bơm ép chất khí hòa tan: CO2, propan, khí ñồng hành khai thác từ vỉa

Trong khuôn khổ của luận văn thạc sỹ này, tác giả sẽ chỉ ñi sâu vào các phương pháp thu hồi tăng cường bằng bơm ép khí hòa tan

1.2 Thu hồi tăng cường bằng bơm ép khí hòa tan

Quá trình ñẩy dầu bằng khí hòa tan (miscible displacement processes) là những quá trình mà hiệu quả chuyển dịch có ñược chủ yếu từ sự hòa tan giữa dầu tại chỗ và chất lưu ñược bơm ép vào vỉa Các chất lưu khí ñược bơm ép có thể như dung môi hydrocarbon (hydrocarbon solvent), CO2, khí thải, và N2 Sự hòa tan cũng ñóng vai trò trong phương pháp bơm chất hoạt tính bề mặt cũng như phương pháp bơm hóa chất nhưng không phải là cơ chế thu hồi chính

Mục tiêu chính của phương pháp là ñẩy dầu bằng một chất lưu sẽ ñược hòa tan với dầu tại bề mặt tiếp xúc, nghĩa là hình thành một pha duy nhất khi hòa tan ở các tỉ lệ khác nhau với dầu Có hai biến thể chính của phương pháp này ñó là hòa tan ngay ở tiếp xúc ban ñầu hay là hòa tan ngay ( Fist- contact-miscible – FCM) và hòa tan thông qua nhiều bề mặt tương tác(Multiple –contact-miscible – MCM)

Trong phương pháp FCM, chất lưu bơm vào vỉa sẽ tương tác và hòa tan trực tiếp với hydrocarbon trong vỉa tại diều kiện nhiệt ñộ và suất vỉa Một nút chất lưu hydrocarbon nhỏ sẽ ñược bơm vào vỉa, ví dụ như khí hóa lỏng LPG, ñể ñẩy dầu Nút

LPG ñến lượt mình sẽ bị ñẩy bởi một thể tích lớn của khí rẻ tiền hơn và giàu thành phần metan – khí khô Trong một số trường hợp nước có thể ñược dùng làm thành phần ñẩy thứ cấp

Hình 1.3 : Minh họa quá trình FCM với LPG và khí khô 2

Quá trình này có hiệu quả vì sự hòa tan giữa nút ñẩy chính và pha dầu Không còn ranh giới pha của nút ñẩy và dầu trong vỉa, dầu ñược ñẩy cùng với nút ñẩy

Trong phương pháp MMC, chất lưu bơm ép vào vỉa sẽ không hòa tan với hydrocarbon trong vỉa tại tiếp xúc ban ñầu Hơn thế nữa quá trình này phụ thuộc vào thành phần của khí bơm ép và chất lưu trong vỉa, thông qua nhiều bề mặt tiếp xúc giữa các pha và quá trình chuyển ñổi khối lượng của các thành phần Dưới các ñiều kiện thích hợp của nhiệt ñộ, áp suất và thành phần, sự biến ñổi thành phần sẽ tạo ra sự hòa tan giữa pha ñẩy và pha bị ñẩy ngay tại chỗ

1.2.1 Giới thiệu chung về ñẩy dầu bằng quá trình hòa tan ( Miscible

displacement)

Trong quá trình ñẩy dầu không hòa tan (immiscible displacement) ví dụ như quá trình bơm ngập nước, hiệu suất vi dịch chuyển (microscopic displacement efficiency), ED, sẽ nhỏ hơn một rất nhiều Một phần của dầu trong vỉa tiếp xúc với khí bơm ép sẽ bị bẫy lại thành các hạt biệt lập, các mạch hoặc thành các vòng giao ñộng (pendular rings) phụ thuộc vào tính dính ướt Tại ñiều kiện này, ñộ thấm tương ñối với dầu sẽ giảm gần ñến không, việc bơm liên tục chất lưu vào vỉa sẽ không có hiệu quả vì

chất lưu sẽ di ñộng vòng qua dầu bị bẫy Dầu sẽ không di ñộng theo dòng chảy vì lực mao dẫn sẽ ngăn không cho dầu biến dạng và lưu thong qua những khe nhỏ trong lỗ rỗng

Sự hạn chế này trong việc thu hồi dầu có thể ñược khắc phục bằng việc ứng dụng phương pháp ñẩy dầu bằng khí hòa tan, trong ñó chất lưu ñược bơm ép sẽ hòa tan với chất lưu trong vỉa tại ñiều kiện tại bề mặt tiếp xúc giữa hai chất lưu Sức căng

bề mặt phân cách (interfacial tension - IFT) sẽ bị loại bỏ Nếu hai chất lưu không hòa tan ở tất cả các tỷ lệ ñể tạo thành một pha duy nhất thì quá trình ñược gọi là không hòa tan

Hình 1.4: ðẩy dầu bằng khí hòa tan 2

Hình 1.4 minh họa sơ ñồ một quá trình FCM lí tưởng bao gồm việc bơm ép một lượng nhất ñịnh chất lưu tạo thành nút chất lưu hòa tan Chất hòa tan trong ví dụ là hydrocarbon có phân tử lượng nhẹ (LPG) Nếu quá trình trên ñược tiến hành như là phương pháp thu hồi thứ cấp, dầu sẽ bị thay thế một cách hiệu quả ở phía trước của nút LPG, không ñể lại dầu dư Sự hòa tan và khuếch tán sẽ xảy ra ở bề mặt tiếp xúc của chất ñẩy và dầu

Nếu quá trình trên ñược sử dụng trong thu hồi tăng cường với dầu dư từ phương pháp bơm ép nước, chất lưu hòa tan ñược bơm ép sẽ phải ñẩy hết pha nước ñể tiếp xúc với dầu dư và sau ñó sẽ ñẩy dầu bằng pha duy nhất của hỗn hợp sau hòa tan

Sự hòa tan của chất lưu bơm ép và dầu sẽ tạo ra một hỗn hợp có ñộ nhớt cao hơn ñộ nhớt ban ñầu của chất hòa tan giúp cho quá trình làm ñẩy nước diễn ra hiệu quả hơn

Sư hòa tan sẽ dẫn tới việc phát triển một khối dầu (oil bank) tại mặt phía trước và ñược theo sau bởi hỗn hợp giàu dầu và hỗn hợp giàu chất hòa tan ở sau cùng Cùng với quá trình, khối dầu sẽ lớn dần và dầu sẽ bị ñẩy trên toàn vỉa chừng nào sự toàn vẹn của

chất ñẩy ñược bơm ép còn ñược duy trì và khối chất hòa tan vẫn còn tiếp tục hòa với dầu trong vỉa Hiệu suất vi dich chuyển của quá trình có thể lên ñến 100%, lớn hơn nhiều so với phương pháp không hòa tan

Trong thực tế chất lưu có thể hòa tan với dầu thô ñắt hơn nhiều so với nước hoặc khí khô (dry gas) và bởi vậy nút chất hòa tan cũng thường khá nhỏ vì lí do kinh

tế Trong trường hợp này, bơm ngay sau nút chất hòa tan chính sẽ là một lượng lớn chất lưu ít giá trị hơn ví dụ như nước hoặc khí nghèo (lean gas) Lí tưởng là nút thứ cấp có thể hòa ñược với nút chính và như vậy sẽ tăng them hiệu suất chuyển dich cho nút ñẩy chính Dưới những ñiều kiện áp suất, nhiệt ñộ và thành phần thích hợp, khí nghèo (lean gas), có hàm lượng CH4 cao, sẽ hòa ñược với LPG Một lần nữa vùng hỗn hợp sẽ ñược phát triển tại giao diện giữa nút ñẩy chính (LPG) và nút ñẩy thứ cấp (khí nghèo)

Khi nước, không hòa ñược với ñược với dung môi, ñược dùng làm chất lưu ñẩy, dầu dư bão hòa dung môi sẽ bị giữ lại trong ñá và nút chính sẽ bị thay thế bởi nước khi

nó dịch chuyển về hướng giếng khoan Nước thay thế thường có ñộ linh ñộng thấp sẽ làm tăng hiệu suất quét Vì lí do này quá trình bơm ép xen kẽ nước và khí hòa tan (WAG) thường ñược sử dụng

Trong quá trình MCM, dầu và chất lưu ñược bơm ép không không hòa tan ngay sau lần tương tác ñầu tiên tại ñiều kiện vỉa Hơn thế nữa, quá trình này còn phụ thuộc vào sự thay ñổi thành phần của của dầu hoặc thành phần của chất bơm ép ñến một lúc nào ñó các chất lưu sẽ hòa tan khi khí dung môi di chuyển xuyên qua vỉa Ví dụ, khí metan bình thường không hòa tan với dầu ở tất cả các tỷ lệ, nhưng ở ñiều kiện thuận lợi có thể triết ra môt số thành phần hydrocarbon nhất ñịnh từ dầu khi chảy xuyên qua vỉa Nút methan ñã ñược “làm giàu” này có thể hòa tan với dầu Trong quá trình này,

sự hòa tan không xảy ra ngay từ ñầu nhưng có tính ñộng và phát triển liên tục trong cả quá trình Những quá trình như vậy cũng ñược gọi là quá trình hòa tan ñộng

Nhiều loại khí và chất lỏng khác nhau thích hợp ñể dùng làm chất thay thế hòa tan trong quá trinh FCM hoặc là MCM Bao gồm hydrocarbon có phân tử lượng thấp,

hỗn hợp hydrocarbon (LPG), CO2, và hỗn hợp của các loại kể trên Ứng dụng cụ thể của mỗi quá trình phụ thuộc vào áp suất, nhiệt ñộ và thành phần của dầu thô cũng như chất lưu bơm ép Sự hòa tan phát triển phụ thuộc vào ñặc tính pha của hệ thống (phase behavior), tính chất cũng phụ thuộc vào áp suất, nhiệt ñộ và thành phần

1.2.2 Các nguyên tắc của ñặc tính pha liên quan ñến hòa tan

Có nhiều phương pháp ñể mô tả trạng thái pha hơi/lỏng của hệ thống ña thành phần Các phương pháp ñó bao gồm áp suất/nhiệt ñộ, áp suất/thành phần và biểu ñồ ba thành phần Những biểu ñồ này cho ta nhứng phương cách thuận tiện ñể biểu diễn

ñường biên của những vùng ñơn pha hay ña pha thường ñược xác ñịnh thông qua thì

nghiệm hoặc tính toán bằng phương trình trạng thái

Hình 1.5 : Hình minh họa sơ ñồ pha P/T cho hệ ña thành phần cố ñịnh 2

Một vấn ñề nảy sinh trong khi nghiên cứu dầu thô ñó là dầu thô là chất có thành phần phức tạp ñược cấu thành từ nhiều thành phần hóa học Hơn thế, thanh phần hóa học chính thường chưa ñược xác ñịnh rõ vì những khó khăn mang tính kỹ thuật và chi phi ñể có ñược những thông tin ñó

ðịnh luật pha của Gibbs xác ñịnh ñộ số tự do của một hỗn hợp hóa học như sau:

Hình 1.6: Biểu đồ minh họa áp

suất/thành phần đối với hỗn hợp của C1

và pha lỏng của C1,n-C4,C104

Hình 1.7: Minh họa tác động của thành phần khí đối với áp suất tới hạn đỉnh4

Người ta cũng dùng phương án ñơn giản hóa hỗn hợp chỉ còn 2 hoặc 3 thành phần cho việc minh họa nguyên lý trạng thái pha liên quan ñến việc tìm hiểu hòa tan thay thế

Hệ hai thành phần (Binary system)

ðối với hệ hai thành phần, ñiều kiện hòa tan ñược xác ñịnh trên biểu ñồ áp

suất/nhiệt ñộ (p-T)

ðường cong nối các ñiểm tới hạn của tất cả các hỗn hợp sẽ luôn bao quanh khu

vực xuất hiện hai pha Vì vậy ñối với một hỗn hợp hai thành phần tại một nhiệt ñộ nhất

ñịnh, áp suất của ñường cong tới hạn sẽ là áp suất tối ña ở ñó sự hòa tan có thể xảy ra

một cách ñộc lập với thành phần Tại các áp suất lớn hơn áp suât này này bất cứ một hỗn hợp nào của hệ nhị nguyên cũng sẽ tạo thành một pha duy nhất

HÌnh 1.8: Trạng thái pha của hệ ethane/heptanes và ñường tới hạn 2

Hệ ba thành phần (Ternary system)

ðiều kiện hòa tan ñối với hệ 3 thành phần cũng có thể ñược miêu tả trên biểu

ñồ áp suất/nhiệt ñộ (p-T) Trong hình dưới ta có ñường cong xác ñịnh áp suất tới hạn

và nhiệt ñộ ñới với hệ ba thành phần methane/butane/decane (C1/n-C4,n-C10) ðối với

một tỉ lệ thành phần ñược xác ñịnh bởi phần trăm mol của zC1 và thông số C=

zC4/zC4+zC10), ñường cong áp suất tới hạn sẽ giúp chỉ ra ñiều kiện hòa tan một cách gián tiếp như là một hàm của nhiệt ñộ ðối với một nhiệt ñộ xác ñịnh, ta sẽ có sự phụ thuộc của thành phần vào áp suất tới hạn Ở ví dụ dưới, tại nhiệt ñộ 280oF và 2,000 psia, thành phần tương ứng với ñiều kiện tới hạn là zC1=0.5 và C=0.85(zC4=0.42, zC10=0.08) Tại 280oF và 3,000 psia, thành phần tới hạn sẽ là zC1-0.68 và C=0.65(zC4=0.21, zC10=0.11)

Nếu chỉ biết thành phần tới hạn của hệ ba thành phần tai một nhiệt ñộ và áp suất xác ñịnh sẽ không thể chỉ ra một cách trực tiếp liêu hai hỗn hợp của ba thành phần sẽ hòa tan hay không Bằng ñồ thị, biểu ñồ của hệ ba thành phần có thể giúp xác ñịnh liệu hai hỗn hợp của hệ ba thành phần sẽ hòa tan tại ngay lập tức (FCM) hay sẽ hòa tan theo thời gian (MCM)

HÌnh 1.9: Đường đặc tính pha của hệ

methane/butane/decane.2

Hình 1.10: Sơ đồ của hệ ba thành phần C1

,n-C4, n-C10 tại 280oF và 2500 psia2

1.2.3 Quá trình hòa tan ngay (First-contact miscibility – FCM)

Một quá trình FCM thường bao gồm việc bơm một lượng nhỏ nút chất lưu chính có thể hòa tan với dầu thô và bơm sau ñó một lượng lớn hơn và rẻ tiền hơn nút chất lưu thứ cấp Kích cỡ của nút chất lưu ñược bơm vào phụ thuộc chính vào yếu tố giá thành Trong trường hợp lí tưởng nút thứ cấp sẽ hòa tan với nút chính, vì vậy trạng thái của pha phải ñược tính ñến ở cả mặt trước và mặt sau của nút chính Nếu hai nút không hòa tan thì ñộ bão hòa dư của chất lưu chính sẽ bị giữ lại trong quá trình thay thế

(Green & Willhite, 1998) minh họa ñiều kiện chung của quá trình hòa tan ngay (FCM) và không hòa tan thông qua cách hình dưới ñây Methane và dầu thô thường chỉ hòa tan một phần với nhau Tuy thế tại ñiều kiện vỉa chúng thường không hòa tan ở tất cả các thành phần (Hình 1.11 a) và thường tồn tại ở hai pha riêng biệt Sự ñẩy dầu thô bởi methane ở ñiều kiện vỉa do vây có thể gọi là ñẩy bằng khí không hòa tan

Mặt khác, hydrocarbon có phân tử lượng cao hơn ví dụ như propane hay LPG lại hòa tan toàn bộ với dầu ở ñiều kiện vỉa (Hình 1.11 b) Khi áp suất và nhiệt ñộ tăng lên bằng với ñiều kiện vỉa ta sẽ có hai pha lỏng có thể hòa tan Như vậy sẽ gọi là hòa tan hoàn toàn

ðối với hỗn hợp của propane và methan (Hình 1.11 c) sẽ tồn tại ở pha khí tại ñiều kiện khí quyển Tại ñiều kiện vỉa ở 150o

F và 2000 psi, methane cũng sẽ vẫn ở thể khí trong khi propane sẽ ở thể lỏng Nếu hai hydrocarbon này tiếp xúc, chúng sẽ hòa tan ở tất cả các tỷ lệ và xuất hiện ở dạng ñơn pha khí Hỗn hợp sẽ ñược gọi là chất lưu

ñúng hơn ở trên ñộ tới hạn

Hình 1.11: Minh họa sự hòa tan – không hòa tan của a)Methane b) LPG + Oil c)Methan + Propan 2

Thử phân tích hai ví dụ minh họa việc xác ñịnh áp suất vỉa cần thiết cho quá trình ñẩy dầu bằng phương pháp hòa tan

Xác ñịnh áp suất cần thiết cho quá trình hòa tan ngay (FCM) với butane là nút chính. Butane sau ñó sẽ ñược ñẩy bởi khí khô với thành phần

là methane Giả sử rằng dầu thô có thành phần là n-decane và ñiều kiện vỉa

là 160oF và 2,500 psi Ta thấy nút chính là butane (C4) sẽ ñẩy dầu (C10) Dựa vào biểu ñồ pha, C4 sẽ ở thể lỏng và hòa tan với C10 Tại 160oF, áp suất 2,500 psi là khá cao trên quĩ tích tới hạn của hỗn hợp C1/C4 Vì vậy C1 và C4

sẽ hòa tan Như thế sự hòa tan hoàn toàn xảy ra ở cả hai ñầu của nút chính Nếu áp suất vỉa chỉ là 1,500 psia tại nhiệt ñộ là 160oF, khi ñó sé butane bị

ñẩy bởi methane ở nhiệt ñộ dưới tới hạn Tại một số ñiểm trong quá trình tại ñiều kiện này sẽ hình thành hai pha và khí khô methane sẽ ñẩy butane với

một vi hiệu suất ñẩy thấp Nghĩa là butane sẽ bị vượt qua bởi methane và sẽ

bị bẫy lại trong vỉa ðiều này sẽ dẫn ñến việc tính toàn vẹn của nút chính butane sẽ bị tan rã và ảnh hưởng lớn ñến khai thác

Xác ñịnh áp suất cho hòa tan ngay (FCM) với methane là nút chính

Như ví dụ trên nhưng ta sử dụng methane là nút chính tại nhiệt ñộ vỉa là

160oF Tại 160oF, áp suất tới hạn sẽ vào khoảng 5,200 psia Ta sẽ cần một

áp suất lớn hơn ñể hệ C1/C10 trở thành một pha cho toàn bộ hỗn hợp với các

tỷ lệ khác nhau từ 100% C1 ñến 100% C10

Ví dụ này giải thích vì sao methane thông thường không ñược sử dụng làm nút

ñẩy chính trong quá ñẩy dầu bằng khí hòa tan ngay Áp suất ñảm bảo cho hòa tan sẽ

vượt qua áp suất vỉa

Trạng thái pha và ñiều kiện cho hòa tan ngay (FCM) cũng có thể ñược biểu diễn trên biểu ñồ ba thành phần như ví dụ dưới ñây Giả sử rằng nút chính là hỗn hợp hydrocarbon có phận tử lượng nhỏ: C2 – C6 Nút thứ cấp là methane hoặc N2 và dầu thô là một hỗn hợp

Hình 1.12: Biểu đồ pha đối với quá trình hòa tan ngay (FCM)4

Trong hình 1.12 a: Có sự hòa tan giữa nut chính và nút thứ cấp nhưng không tồn tại giữa nút chính và dầu thô Biên của vùng tồn tại hai pha giao với ñáy của tam giác chỉ ra rằng có một số hỗn hợp của nút thứ cấp (C2 – C6) và C7+ , C2 – C6, dầu thô sẽ có hai pha

Trong hình 1.12 c: ðường biên của pha ñối với một hệ sau khi hòa tan giữa nút chính và dầu Tuy nhiên hỗn hợp của nút chính và nút thứ cấp sẽ có hai pha cho cả dải tỷ lệ rộng

Trong hình 1.12 b: Biểu ñồ pha của hỗn hợp sau khi hòa tan giữa nút chính

và dầu và giữa nút chính và nút thứ cấp ðiều kiện này cần cho quá trình hòa tan ngay lí tưởng Nút chính có thể bị loãng ñi nhiều và sẽ hòa tan với dầu ðiểm a trên ñồ thị chỉ thị tỉ lệ cao nhất của thành phần nhẹ trong nut chính mà có thể hòa tan với dầu tại ñiểm A

Như ñã trình bày ở trên, mối lo cơ bản trong quá trình nghiên cứu ñối với FCM

là trạng thái pha giữa nút chính và nút thứ cấp; giữa dầu và nút chất chính

1.13: Đường giới hạn áp suất đỉnh

đối với methane và các chất có tiềm

năng làm nút đẩy khác C2, C3, n-C4,

n-C52

1.14: Sơ lược về sự tập trung của quá trình chuyển dich hòa tan khi nút đẩy tiến trong vỉa2

Ta thấy ñường giới hạn áp suất ñỉnh là một hàm của nhiệt ñộ ñối với methane

và bốn loại hydrocarbon tiềm năng dùng cho nút chính Như ñã trình bày, tại một nhiệt

ñộ vỉa nhất ñịnh và ñối với một cặp chất lưu, áp suất ñỉnh là áp suất tối thiểu ñảm bảo

cho sự hòa tan xảy ra giữa nút chính và nút thứ cấp Nếu khí hóa lỏng (LPG) ñược dùng làm vật liệu của nút chính, dữ liệu của LPG cụ thể ñó và methane phải ñược thu thập ñể xác ñịnh áp suất tối thiểu hòa tan tại nhiệt ñộ vỉa

Tuy áp suất cần cho việc hòa tan của nút chính và dầu trong vỉa thường không phải là yếu tố có thể kiểm soát, nhưng trạng thái pha cũng cần phải nghiên cứu Khi nhiệt ñộ vỉa xuống dưới nhiệt ñộ tới hạn của vật liệu ở nút chính, áp suất phải ñủ lớn

ñể hóa lỏng nó Nếu nút hydrocarbon ở thể lỏng tại ñiều kiện vỉa, nó sẽ hòa tan với

dầu Thông thường nút hydrocarbon ở thể lỏng như hình 1.5 Nhiệt ñộ tới hạn của propane là 206oF và của butane là 304oF

Khi nhiệt ñộ vỉa cao hơn nhiệt ñộ tới hạn của nút chính, áp suất cần cho việc hòa tan giữa nút chính và dầu trở nên khó ước tính Dưới ñiều kiện như vậy nút chính

sẽ khó khó lỏng và áp suất cần phải cao hơn áp suất tối thiểu cho hòa tan của nút chính

và dầu tại nhiệt ñộ vỉa

Theo (Green & Willhite, 1998), khi cần số liệu trạng thái pha của hệ nút chính

và dầu, người ta sẽ thường lấy số liệu áp suất/thành phần (p-x) tại nhiệt ñộ vỉa

Một nút chính ở thể lỏng không phải luôn luôn hòa tan hoàn toàn với dầu trong vỉa Những dung môi như propane và butane có thể gây kết tủa alphan ñối với một số loại dầu thô Nếu một lượng ñáng kể dầu ñược ñẩy trong vỉa và bị loại atphan sẽ dẫn tới các lỗ rỗng bị bít bởi kết tủa và giảm ñộ thấm của ñá Khi dầu ñược ñẩy bởi nút chính trong môi trường rỗng, một vùng chuyển tiếp sẽ ñược hình thành bởi thân chính của nút và phần dầu ñã ñược loại alphan Chất lưu này sẽ hòa tan với nút dung môi tại phần cuối của vùng chuyển tiếp và với dầu tại phần trước của vùng này Dưới ñiều kiện này, quá trình ñẩy dầu sẽ tiếp tục với sự loại atphan không ñáng kể Tuy thế sự lắng ñọng atphan ở vùng lân cận của giếng khai thác hay giếng bơm ép có thể gây vấn

ñề nghiêm trọng

Một lưu ý khác liên quan ñến pha là khả năng tạo thành hỗn hợp của cả ba chất lưu tham gia trong quá trình ñẩy dầu, nghĩa là giữa nút chính, nút thứ cấp và dầu trong vỉa Vùng hỗn hợp sẽ phát triển cùng với dòng chảy qua vỉa Tại một số ñiểm methane

có thể xuyên quá qua nút propane và vùng chứa cả ba thành phần sẽ ñược hình thành với hai pha và quá trình ñẩy dầu sẽ trở thành ñẩy không hòa tan

1.2.4 Quá trình hòa tan thông qua nhiều bề mặt tiếp xúc

(Multi-contact Miscibility – MMC)

Một quá trình hòa tan qua nhiều bề mặt tiếp xúc là một quá trình trong ñó ñiều kiện hòa tan ñược tạo ra trong vỉa thông qua sự thay ñổi thành phần tại chỗ nhờ vào ña tiếp xúc và sự thay ñổi khối lượng giữa giữa dầu trong vỉa và chất lưu ñược bơm ép vào Quá trình ñẩy của khí hòa tan qua nhiều bề mặt tiếp xúc ñược chia ra làm sự ñẩy của khí bốc hơi (khí nghèo – lean gas), khí ngưng tụ/bay hơi (khí ñược làm giàu) và CO2

Trong quá trình dùng khí nghèo, chất lưu ñược bơm ép thường là khí nghèo, nghĩa là chứa phần lớn là khí methane và các hydrocarbon có phân tử lượng thấp hoặc

có thể thỉnh thoảng là khí trơ như N2 Trong phương pháp này thành phần của khí bơm