Khoá luận tốt nghiệp: Chế tạo vật liệu nano oxit sắt từ bọc polymer để định hướng ứng dụng trong tăng cường thu hồi dầu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:80

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khoá luận này nghiên cứu các loại polymer khác nhau, đặc biệt là polymer ưa dầu – ưa nước bọc OMNPs để vừa ổn định các hạt, vừa tăng cường độ nhớt cho dung dịch bơm ép. Nghiên cứu các chất HĐBM khác, vừa có khả năng giảm sức căng bề mặt liên diện giữa dầu và nước, vừa ổn định ở nhiệt độ cao. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khoá luận tốt nghiệp: Chế tạo vật liệu nano oxit sắt từ bọc polymer để định hướng ứng dụng trong tăng cường thu hồi dầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA HÓA HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO OXIT SẮT TỪ BỌC POLYMER ĐỂ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG TĂNG CƯỜNG THU HỒI DẦU Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN PHƯƠNG TÙNG TS NGUYỄN THỊ THU TRANG Sinh viên thực hiện: HOÀNG ANH QUÂN Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM KHOA HÓA HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO OXIT SẮT TỪ BỌC POLYMER ĐỂ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG TĂNG CƯỜNG THU HỒI DẦU XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký tên và ghi rõ họ và tên) PGS.TS Nguyễn Phương Tùng TS Nguyễn Thị Thu Trang Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2019
LỜI CẢM ƠN Ngày ta bước chân vào giảng đường đại học, đâu ai nghĩ rằng 4 năm cứ ngỡ là dài lại trôi qua nhanh đến như vậy. Quãng thời gian ấy trôi qua nhanh tựa như cái chớp mắt, nhưng cũng đọng lại biết bao kỉ niệm đáng nhớ với biết bao cảm xúc của của thời sinh viên. Và để kết thúc quãng đời sinh viên đầy ý nghĩa kia, Khóa luận tốt nghiệp là một trải nghiệm khá thú vị nhưng cũng không hề dễ dàng để hoàn thành công việc học tập tại Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh. Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến cô PGS. TS Nguyễn Phương Tùng, là người trực tiếp hướng dẫn, chỉ dạy, giúp đỡ tận tình em ngay từ những ngày đầu làm quen với nghiên cứu khoa học cũng như đề tài khóa luận tốt nghiệp. Và em cũng gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến cô TS. Nguyễn Thị Thu Trang, là người đồng hướng dẫn cùng với cô Tùng, cô cũng tận tình chỉ bảo, giúp đỡ em rất nhiều để em thực hiện và hoàn thành đề tài khóa luận tốt nghiệp này. Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả thầy cô giảng viên trong Khoa Hóa học – Trường Đại học Sư phạm TP. HCM nói chung và các thầy cô giảng viên bộ môn Hóa Vô cơ nói riêng. Các thầy cô đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt kiến thức cho em và các bạn trong quãng thời gian học tập tại trường cũng như đã tạo điều kiện tối đa cho em để hoàn thành tốt Khóa luận tốt nghiệp. Em xin gửi lời cảm ơn đến anh Khanh, anh Trường và các anh, chị tại phòng Công nghệ Nano và Chuyển hóa Năng lượng thuộc Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng (IAMS) – Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam (VAST) đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian em thực hiện đề tài tại đây. Con xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bố mẹ, những người đã sinh thành và nuôi dưỡng con để con có được như ngày hôm nay, luôn bên cạnh và động viên con khi con gặp khó khăn trong cuộc sống. Xin gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè đã luôn bên cạnh động viên và giúp đỡ mình. i
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất. Song do buổi đầu mới làm quen với công tác nghiên cứu khoa học và sự hạn chế về kiến thức cũng như thực nghiệm nên những thiếu sót là điều không thể tránh khỏi mà bản thân em chưa nhận thấy được. Em rất mong nhận được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của quý thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn, giúp em tích lũy kinh nghiệm cho sau này. Cuối cùng, em xin chúc quý thầy cô và bạn bè sức khỏe, đạt nhiều thành công trong cuộc việc và cuộc sống. TP. HCM, tháng 05 năm 2019 Sinh viên thực hiện đề tài Hoàng Anh Quân ii
TÓM TẮT KHÓA LUẬN Quá trình tăng cường thu hồi dầu (TCTHD) là quá trình bơm vào vỉa các tác nhân ngoại lai nhằm thu hồi một lượng dầu bị bẫy lại sau giai đoạn khai thác sơ cấp và khai thác thứ cấp. Tuy nhiên, các phương pháp TCTHD đang được sử dụng hiện nay chưa đạt được hiệu quả như mong muốn, khoảng 70% lượng dầu tại chỗ còn nằm lại. Vì vậy, hệ chất lỏng nano – nano từ tính bọc polymer đang được xem là một giải pháp đột phá, có nhiều hứa hẹn và trở thành hướng nghiên cứu đang được quan tâm đặc biệt trong khai thác dầu khí. Vật liệu nano Fe3O4 từ lâu đã được nghiên cứu để ứng dụng vào lĩnh vực dầu khí. Các hạt nano từ tính được bao bọc bởi các loại polymer mang những tính chất khác nhau hiện được nghiên cứu ngày càng nhiều, không chỉ riêng trong lĩnh vực dầu khí mà còn ở một số lĩnh vực khác. Đề tài này nghiên cứu vật liệu nano từ tính Fe3O4 bọc copolymer (methyl methacrylate) – (2–acrylamide –2–methyl–propanesulfonate) (MMA-co-AMPS), với cầu nối là Oleic acid, để giúp các hạt nano ổn định các tính chất trong môi trường phân tán khắc nghiệt. Quá trình tổng hợp nano từ tính sử dụng phương pháp đồng kết tủa và phương pháp phân hủy nhiệt, bước đầu so sánh được những ưu điểm, nhược điểm của 2 phương pháp. Phương pháp vi nhũ – polymer hoá được sử dụng để tổng hợp lớp vỏ polymer bao bọc nano từ tính. Vật liệu tổng hợp được có cấu trúc lõi – vỏ thu được phân tán tốt trong môi trường nước biển, ổn định nhiệt cao. Khảo sát các yếu tố về tác động giảm sức căng bề mặt liên diện giữa nước biển và dầu thô, độ phân tán trong nước biển, bền nhũ và ổn định ở nhiệt độ cao, đã cho được những kết quả thành công ban đầu. Đặc điểm về cấu trúc hóa học, hình thái của vật liệu được khảo sát lần lượt bằng các phương pháp phân tích FTIR, DLS, TEM, PXRD, VSM và TGA, và. Các yếu tố thể hiện tiềm năng ứng dụng trong TCTHD được khảo sát theo các tiêu chuẩn của ngành dầu khí và kết quả thu được hệ chất lỏng nano phân tán tốt trong nước biển và chất HĐBM, ổn định trong môi trường nhiệt độ cao. Các hạt nano có kích thước từ 12 – 15 nm bền nhiệt có tiềm năng trong việc ứng dụng trong TCTHD. iii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... i TÓM TẮT KHÓA LUẬN .................................................................................................. iii MỤC LỤC .......................................................................................................................... iv DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................. x DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT........................................................................... xi MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... xii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................................. 1 1.1. Các giai đoạn khai thác và tăng cường thu hồi dầu ............................................... 1 1.1.1. Giai đoạn khai thác dầu sơ cấp ........................................................................ 1 1.1.2. Giai đoạn khai thác dầu thứ cấp....................................................................... 1 1.1.3. Giai đoạn tăng cường thu hồi dầu .................................................................... 2 1.2. Các phương pháp áp dụng trong tăng cường thu hồi dầu ...................................... 3 1.3. Cơ chế tác động...................................................................................................... 5 1.3.1. Hiệu suất quét vi mô ........................................................................................ 6 1.3.2. Hiệu suất quét vĩ mô ........................................................................................ 8 1.4. Hệ chất lỏng nano .................................................................................................. 9 1.4.1. Những nghiên cứu về vật liệu nano và hệ chất lỏng nano trong những năm gần đây ........................................................................................................................ 10 1.4.2. Tiềm năng ứng dụng các hạt nano trong TCTHD ......................................... 12 1.5. Hệ chất lỏng nano từ tính ..................................................................................... 14 1.5.1. Vật liệu từ tính ............................................................................................... 14 1.5.2. Vật liệu oxit sắt từ (ferrous ferric oxide/magnetite) ...................................... 18 1.5.3. Vật liệu từ tính Fe3O4 ..................................................................................... 18 1.5.4. Vật liệu từ tính Fe3O4 kích thước nano .......................................................... 19 1.5.5. Hệ chất lỏng nano từ tính ............................................................................... 22 1.5.6. Tổng hợp hạt nano từ tính .............................................................................. 23 1.5.7. Một số phương pháp tổng hợp hạt nano oxit sắt từ hiện nay ........................ 25 iv
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................................. 28 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ...................................................................................... 29 2.1. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu ....................................................................... 29 2.2. Hóa chất và vật liệu sử dụng ................................................................................ 29 2.3. Thiết bị thí nghiệm và thiết bị phân tích .............................................................. 31 2.3.1. Thiết bị thí nghiệm ......................................................................................... 31 2.3.2. Thiết bị phân tích ........................................................................................... 31 2.4. Quy trình thực nghiệm ......................................................................................... 31 2.4.1. Quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4................................................................ 31 a. Phương pháp đồng kết tủa ............................................................................. 31 b. Phương pháp phân hủy nhiệt ......................................................................... 32 2.4.2. Quy trình tổng hợp Oleic acid bọc hạt nano Fe3O4 (OMNPs)....................... 34 2.4.3. Quy trình tổng hợp copolymer MMA – AMPS bọc OMNPs (PMNPs)........ 35 2.4.4. Khảo sát đặc trưng lý hóa của vật liệu ........................................................... 36 2.5. Khảo sát tiềm năng ứng dụng của vật liệu PMNPs trong TCTHD...................... 37 2.5.1. Sức căng bề mặt ............................................................................................. 37 2.5.2. Khả năng thu hồi và tái sử dụng .................................................................... 37 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................................................. 38 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ..................................................................... 39 3.1. Kết quả khảo sát đặc trưng lý hóa hạt nano Fe3O4 .............................................. 39 3.1.1. Kết quả đo FTIR ............................................................................................ 39 3.1.2. Kết quả đo PXRD .......................................................................................... 40 3.1.3. Kết quả hình ảnh TEM................................................................................... 41 3.1.4. Kết quả đo VSM – đặc trưng cho tính chất từ của vật liệu............................ 42 3.1.5. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng TGA ..................................................... 44 3.2. Kết quả khảo sát đặc trưng lý hóa vật liệu OMNPs............................................. 45 3.2.1. Kết quả đo FTIR ............................................................................................ 45 3.2.2. Kết quả đo VSM – đặc trưng cho tính chất từ của vật liệu............................ 46 v
3.3. Kết quả khảo sát đặc trưng lý hóa vật liệu PMNPs ............................................. 47 3.3.1. Kết quả đo FTIR ............................................................................................... 47 3.3.2. Kết quả đo PXRD .......................................................................................... 49 3.3.3. Kết quả đo DLS ............................................................................................. 50 3.3.4. Kết quả hình ảnh TEM................................................................................... 52 3.3.5. Kết quả đo VSM – đặc trưng cho tính chất từ của vật liệu............................ 53 3.3.6. Kết quả đo phân tích nhiệt trọng lượng TGA ................................................ 55 3.4. Kết quả khảo sát tiềm năng ứng dụng của PMNPs trong TCTHD ...................... 56 3.4.1. Kết quả khảo sát sức căng bề mặt .................................................................. 56 3.4.2. Kết quả khảo sát độ bền nhiệt ........................................................................ 57 3.4.3. Kết quả thu hồi và tái sử dụng vật liệu .......................................................... 58 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................................. 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 60 KẾT LUẬN .................................................................................................................... 60 KIẾN NGHỊ ................................................................................................................... 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 61 PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 64 vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Nguyên lý chung các phương pháp TCTHD ...................................................... 3 Hình 1.2. Mối liên hệ giữa số mao dẫn Nc và hiệu suất thu hồi dầu .................................. 7 Hình 1.3. Tính dính ướt lên bề mặt rắn của pha nước và dầu............................................. 8 Hình 1.4. Các hạt nano len lỏi vào bề mặt rắn – dầu và đẩy dầu ra khỏi đá .................... 13 Hình 1.5. Mối liên hệ giữa áp lực phá hủy cấu trúc và kích thước hạt ............................. 14 Hình 1.6. Định hướng các mômen từ trong vật liệu thuận từ ........................................... 15 Hình 1.7. Đồ thị đường cong từ hóa của vật liệu siêu thuận từ ........................................ 17 Hình 1.8. Khoáng vật Fe3O4 ............................................................................................. 19 Hình 1.9. Cấu trúc tinh thể Fe3O4 ..................................................................................... 19 Hình 1.10. Giới hạn domain của Fe3O4 ............................................................................ 21 Hình 1.11. Các trạng thái từ tính của vật liệu ................................................................... 22 Hình 1.12. Chất lỏng nano từ tính .................................................................................... 23 Hình 1.13. Một số cấu trúc của hạt nano từ tính và các kiểu bao phủ của chúng. (A): cấu trúc bao phủ kiểu lõi – vỏ; (B): bao phủ bằng cách ghép với đuôi của chuỗi polymer; (C): kết nang hoàn toàn trong lớp polymer ............................................................................... 24 Hình 1.14. Tổng hợp γ-Fe2O3 từ Ferric oleate .................................................................. 27 Hình 2.1. Hệ phản ứng tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa.......... 32 Hình 2.2. Tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp phân hủy nhiệt từ Fe(acac)3 ...... 32 Hình 2.3. Hệ phản ứng tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp phân hủy nhiệt...... 33 Hình 2.4. Tổng hợp OMNPs từ hạt nano Fe3O4. .............................................................. 34 vii
Hình 2.5. Tổng hợp PMNPs từ OMNPs ........................................................................... 35 Hình 3.1. Phổ FTIR của hạt nano Fe3O4 ........................................................................... 39 Hình 3.2. Kết quả đo PXRD của hạt nano Fe3O4 phương pháp đồng kết tủa .................. 40 Hình 3.3. Kết quả hình ảnh TEM của hạt nano Fe3O4 ...................................................... 41 Hình 3.4. Hạt nano Fe3O4 sau khi tổng hợp (phân tán trong C2H5OH) ............................ 42 Hình 3.5. Đường cong từ hóa của hạt nano Fe3O4 phương pháp đồng kết tủa. ................ 43 Hình 3.6. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng TGA của hạt nano Fe3O4 ........................ 44 Hình 3.7. Phổ FTIR của OMNPs ...................................................................................... 45 Hình 3.8. Đường cong từ hóa của OMNPs ....................................................................... 46 Hình 3.9. Phổ FTIR của PMNPs và MMA-co-AMPS ..................................................... 47 Hình 3.10. Phổ FTIR của PMNPs và OMNPs .................................................................. 47 Hình 3.11. Kết quả đo PXRD của hạt PMNPs phương pháp đồng kết tủa ...................... 49 Hình 3.12. Giản đồ DLS vật liệu PMNPs (đồng kết tủa) phân tán trong môi trường nước biển .................................................................................................................................... 50 Hình 3.13. Giản đồ DLS vật liệu PMNPs (phân hủy nhiệt) phân tán trong môi trường nước biển ........................................................................................................................... 51 Hình 3.14. Kết quả hình ảnh TEM của PMNPs ............................................................... 52 Hình 3.15. PMNPs sau khi tổng hợp (phân tán trong C2H5OH) ...................................... 53 Hình 3.16. Đường cong từ hóa của vật liệu PMNPs và hạt nano Fe3O4 phương pháp đồng kết tủa ................................................................................................................................ 54 Hình 3.17. Kết quả đo TGA của MMA–co–AMPS ......................................................... 55 viii
Hình 3.18. Kết quả đo TGA của PMNPs .......................................................................... 55 Hình 3.19. Hỗn hợp (HĐBM/PMNPs/nước biển 800 – 200 ppm) sau 25 ngày ủ nhiệt ... 58 Hình 3.20. Tái phân tán PMNPs thu hồi sau 25 ngày ủ nhiệt........................................... 58 ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Hóa chất và vật liệu sử dụng ............................................................................ 29 Bảng 2.2. Thành phần nước biển mô phỏng của mỏ Bạch Hổ (Vũng Tàu) ..................... 30 Bảng 2.3. Thành phần mẫu khảo sát sức căng bề mặt ...................................................... 37 Bảng 3.1. Kết quả đo phổ FTIR của OMNPs ................................................................... 46 Bảng 3.2. Kết quả đo phổ FTIR của PMNPs và MMA–co–AMPS ................................. 48 Bảng 3.3. Kết quả đo SCBM giữa dầu thô và hỗn hợp (nước biển–HĐBM–PMNPs) .... 57 x
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT TCTHD: Tăng cường thu hồi dầu HSTHD: Hiệu suất thu hồi dầu HĐBM: Hoạt động bề mặt WAG: Khí nước luân phiên (water alternating gas) SCBM: Sức căng bề mặt BMLD: Bề mặt liên diện MNPs: Các hạt nano có từ tính (magnetic nanoparticles) OMNPs: Hạt nano Fe3O4 bọc bởi oleic acid PMNPs: Copolymer MMA – co – AMPS bọc OMNPs MMA: Methyl methacrylate AMPS: 2 – acrylamido – 2 – methyl propane sulfonic acid FTIR: Phép đo hấp thụ quang phổ hồng ngoại PXRD: Phép đo nhiễu xạ tia X VSM: Phép đo từ tính bằng từ kế mẫu rung DLS: Phép đo tán xạ ánh sáng động học TGA: Phép đo phân tích nhiệt trọng lượng xi
MỞ ĐẦU Ngành công nghiệp khai thác dầu khí từ lâu đã mang lại nhiều lợi ích cho sự phát triển của nhân loại, đó là nguồn cung cấp năng lượng to lớn cần thiết hoạt động sống của con người như hoạt động nhiệt, điện,... trong các nhà máy, các xí nghiệp, các cơ quan, cho hầu hết tất cả phương tiện giao thông sử dụng động cơ trên thế giới…; là nguồn nguyên liệu cho ngành công nghiệp hóa dầu để sản xuất ra rất nhiều sản phẩm quan trọng và có giá trị như dược phẩm, dung môi hữu cơ, phân bón, thuốc trừ sâu,.... Đối với nước ta, vai trò và ý nghĩa của dầu khí nói chung và dầu mỏ nói riêng càng trở nên quan trọng trong thời kỳ đẩy mạnh sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá. Không chỉ là vấn đề thu nhập kinh tế đơn thuần, trong những năm qua dầu mỏ đã góp phần đáng kể vào ngân sách quốc gia, làm cân đối hơn cán cân xuất nhập khẩu thương mại quốc tế, góp phần tạo nên sự phát triển ổn định nước nhà trong những năm đổi mới đất nước. Với vai trò và tầm quan trọng như vậy, cùng với sự phát triển của công nghệ đang ngày càng tiến bộ, dầu mỏ đang được các quốc gia trên thế giới khai thác không ngừng. Song nguồn năng lượng này không phải là vô tận, trong khi nhu cầu sử dụng của thế giới lại ngày càng tăng. Giáo sư Minqi Li, Trường đại học Utah trong “Báo cáo hàng năm về nguồn năng lượng thế giới” đã thống kê và dự đoán sản lượng khai thác dầu thế giới từ năm 1980 đến 2050. Trong đó đề cập những năm 2020 sản lượng sẽ đạt đỉnh sau đó đi xuống. Trong khi từ năm 2007 – 2017, nhu cầu tiêu thụ dầu thế giới tăng 1,0 – 1,2%/năm [1]. Do đó, việc thu hồi lại dầu dã sử dụng được quan tâm và đầu tư nghiên cứu. Nhằm tận dụng lượng dầu chiếm hơn 70% lượng dầu tại chỗ còn bám dính lại ở các vỉa đá sau các giai đoạn khai thác dầu sơ cấp và thứ cấp, cần phải tác động để tăng hiệu suất đẩy, hệ số quét bằng các thay đổi đặc trưng cơ bản của chất lưu trong vỉa như sức căng bề mặt, độ nhớt, tỷ số linh động, tính dính ướt, …, các phương pháp được sử dụng trong giai đoạn này được gọi là giai đoạn khai thác tam cấp (bậc ba), thường được biết đến với tên gọi là giai đoạn tăng cường thu hồi dầu (TCTHD). xii
Tại Việt Nam, dù công nghiệp khai thác dầu khí còn non trẻ nhưng đã trở thành một trong những ngành kinh tế có vai trò vô cùng quan trọng và có ảnh hưởng đến kinh tế của đất nước. Theo thông tin công bố tại Hội nghị BCH mở rộng Đảng bộ Công ty mẹ Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PetroVietnam – PVN) ngày 21/1/2016, năm 2015 tổng doanh thu toàn tập đoàn đạt 560,1 nghìn tỷ đồng, vượt kế hoạch cả năm với tỷ lệ 14%. Tuy vậy, mặc dù vượt kế hoạch đề ra, Tổng doanh thu năm 2015 của PVN so với năm 2014 sụt giảm 25%. Tốc độ suy giảm sản lượng diễn ra nhanh hơn so với dự kiến, độ ngập nước tăng nhanh ở mỏ Rồng, lắng đọng muối ở mỏ Thỏ Trắng ngày càng phức tạp… Trong khi đó sản lượng khai thác dầu trong các giếng mới tại các giếng khoan ThTC–3 và RC–9 lại không đạt như kỳ vọng… Những giếng dầu tại mỏ Bạch Hổ, mỏ Rồng do Vietsovpetro tiến hành thăm dò khai thác hơn 30 năm qua đã ở vào giai đoạn cuối, sản lượng đến hồi suy giảm và kiệt quệ nghiêm trọng [2]. Do đó, việc tìm ra các phương pháp áp dụng trong giai đoạn TCTHD rất được chú trọng và quan tâm. Hiện nay, các hướng nghiên cứu về hệ chất lỏng nano đang được đầu tư và hỗ trợ vì mang lại hiệu quả trong giai đoạn TCTHD, có thể sử dụng ở nồng độ thấp nhưng đem lại hiệu quả cao. xiii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Các giai đoạn khai thác và tăng cường thu hồi dầu Sau khi khảo sát cấu trúc địa chất bằng các phương tiện khác nhau như sử dụng thiết bị khảo sát địa chấn (được biết đến với tên gọi là phương pháp “bật lửa” (sparking)), khoan thăm dò, từ kế, máy đo trọng lực, phân tích các mẫu dầu để biết được số lượng và chất lượng của các mỏ dầu tiềm năng bởi các nhà địa chất học, nhóm kỹ sư sẽ tiến hành khoan xuống lòng đất để tạo các giếng dầu, bắt đầu cho các quá trình khai thác dầu khí. 1.1.1. Giai đoạn khai thác dầu sơ cấp Trong giai đoạn khai thác ban đầu, áp suất vỉa còn cao, dầu được đẩy đến giếng khai thác nhờ năng lượng nội tại của vỉa. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp để tăng cường tiến độ khai thác của mỏ khi năng lượng của vỉa yếu đi, người ta bổ sung năng lượng tại các giếng khai thác (bơm piston, sử dụng gaslift, bơm ngầm, …) cho phép khai thác sớm lượng dầu trên bề mặt nhưng hiệu quả thu hồi thêm lại không cao [3]. Giai đoạn này ta sẽ thu được khoảng 5 – 12% lượng dầu trong vỉa [4]. 1.1.2. Giai đoạn khai thác dầu thứ cấp Giai đoạn khai thác thứ cấp thường được bắt đầu khi áp suất vỉa chứa trong giai đoạn khai thác sơ cấp suy giảm, khiến việc khai thác trở nên khó khăn do đó giảm sản lượng dầu khai thác. Năng lượng trong vỉa suy giảm khiến dầu thô không thể di chuyển đến các giếng khai thác. Từ đó, người ta tiến hành bơm ép các loại lưu thể tự nhiên (nước, khí) vào vỉa cụ thể nhằm duy trì , phục hồi hoặc tăng áp suất vỉa (cung cấp năng lượng cho vỉa từ bên ngoài). Tùy vào điều kiện của vỉa chứa dầu, các lưu thể được bơm vào có thể được lấy từ các vỉa/mỏ lân cận hoặc từ trên bề mặt cung cấp [3]. Các quá trình thực hiện trong giai đoạn này chủ yếu nhằm vào hai mục đích, đó là tạo lực “quét” dầu cuốn theo dòng chất lỏng đi lên và duy trì áp lực trong vỉa dầu. Giai đoạn này ta thu được khoảng 10% – 25% lượng dầu được lấy ra và kéo dài từ sáu đến mười năm tùy vào kết cấu địa tầng của vỉa dầu [4]. 1
Trong giai đoạn khai thác dầu sơ cấp và thứ cấp, dầu dịch chuyển trong vỉa và đưa lên bề mặt chủ yếu dựa vào năng lượng nội tại của vỉa hoặc/và bổ sung từ bên ngoài vào bằng các kỹ thuật, công nghệ khai thác dầu không quá phức tạp nên được gọi là thu hồi dầu thông thường (COR) [3]. 1.1.3. Giai đoạn tăng cường thu hồi dầu Sau thời gian bơm ép nước, lượng dầu dưới vỉa bị giảm dẫn đến việc dùng áp lực nước để đẩy dầu lên không còn tác dụng. Khi đó phần lớn nước được bơm xuống sẽ lên miệng giếng trong khi dầu vẫn còn mắc kẹt trong những khe đá hoặc bám vào đá [4]. Vì vậy, để có thể tiếp tục khai thác và thu hồi dầu, cần có tác động của những yếu tố khác nhằm thay đổi đặc tính của lưu chất và đá vỉa, như làm giảm các lực giữ dầu trong các lỗ rỗng của đá vỉa cũng như thay đổi tính dính ướt của đá; giảm sức căng bề mặt liên diện giữa hai pha dầu – nước; giảm độ nhớt của dầu và/hoặc tăng độ nhớt của dung dịch bơm ép,… Các phương pháp được sử dụng trong giai đoạn này được gọi là giai đoạn khai thác tam cấp (bậc ba), thường được biết đến với tên gọi là giai đoạn tăng cường thu hồi dầu (TCTHD). 2
1.2. Các phương pháp áp dụng trong tăng cường thu hồi dầu Tăng độ nhớt của nước Dùng Polymer Tăng cường hiệu suất quét Bơm ép hơi nước Giảm độ nhớt của dầu Đốt tại chỗ TCTHD Bơm ép CO2 Sử dụng chất lưu đẩy có khả năng trộn lẫn Đốt tại chỗ Tăng cường hiệu Giảm sức căng bề mặt Dùng các chất suất đẩy của các chất lưu HĐBM Thay đổi tính dính ước Dùng các chất của đá vỉa kiềm Hình 1.1. Nguyên lý chung các phương pháp TCTHD [4]. Ở Việt Nam đã áp dụng một số biện pháp nâng cao thu hồi dầu: bơm ép thử nghiệm chất hoạt động bề mặt, vi sinh, hóa lý tại đối tượng cát kết mỏ Bạch Hổ. Đồng thời các chuyên gia của PetroVietNam đang nghiên cứu các biện pháp nâng cao thu hồi dầu: phân tích và nghiên cứu khả năng bơm ép CO2 cho đối tượng cát kết mỏ Rạng Đông; bơm ép polymer cho đối tượng cát kết mỏ Bạch Hổ; bơm ép nước và khí hydrocarbon luân phiên tầng Miocene mỏ Bạch Hổ, mỏ Rạng Đông…Tuy nhiên, các biện pháp nêu trên không thể áp dụng đại trà mà chỉ áp dụng các mỏ có trữ lượng còn tương đối lớn; các mỏ đang khai thác giai đoạn suy giảm sản lượng; các tầng sản phẩm: Miocene, Oligocene, Móng. Gần đây, Viện Khoa học vật liệu Ứng dụng kết hợp với liên doanh Vietsopetro đã tiến hành thử nghiệm công nghiệp hệ dung dịch HĐBM và polymer đã thu được nhiều kết quả tốt. Ngoài ra, Viện Khoa học vật liệu Ứng dụng cũng đã nghiên cứu nhiều tổ hợp nano SiO2 và chất HĐBM, kết quả cho thấy rằng sức căng về mặt dầu nước giảm từ 24 xuống còn 5.10-3 dyne/cm [5]. Tuy nhiên, nghiên cứu sâu vào thì thấy các chất bơm ép đã bị bẫy 3
lại ở pha dầu gây lãng phí, mất hiệu quả. Mặc khác, việc sử dụng chất HĐBM đặc thù có giá thành cao nhưng khả năng chịu nhiệt không ổn định do hầu như các chất HĐBM có độ bền nhiệt không cao. Có hai phương pháp chính TCTHD là phương pháp vật lý và phương pháp hóa học. Các phương pháp này làm giảm các lực giữ dầu ở trong lỗ rỗng xốp của vỉa đá, làm giảm sức căng bề mặt liên diện giữa hai pha dầu và nước hoặc làm giảm độ nhớt của dầu, tăng độ nhớt của dung dịch bơm ép hoặc thay đổi các đặc tính của vỉa dầu để có thể dễ dàng được khai thác hơn [3]. Phương pháp vật lý bao gồm Bơm khí và Bơm nhiệt. Bơm khí (có thể sử dụng các loại khí có thể trộn lẫn như khí CO2, khí tự nhiên hoặc N2) vào trong bể chứa để giảm SCBM giữa dầu và nước. Trong phương pháp này, lưu chất bơm thường nhanh chóng chảy xói qua các khối đá xốp bên trong mỏ và bỏ qua hầu hết các lượng dầu có tại đó do tỷ lệ lưu động (quyết định bởi độ thẩm thấu và độ nhớt của lưu chất khí so với của dầu) không phù hợp. Nhược điểm của phương pháp này là phụ thuộc nhiều vào áp suất, nhiệt độ của bể dầu và thành phần dầu thô. Bơm nhiệt bao gồm bơm hơi tuần hoàn, hơi nước và đốt cháy. Phương pháp này làm nóng dầu thô trong quá trình hình thành để giảm SCBM và tăng tính thấm của dầu. Chi phí cao nhưng lại không an toàn là những hạn chế của phương pháp này. Phương pháp hóa học bao gồm dùng chất chất hoạt động bề mặt (HĐBM), dùng polymer và dùng kiềm. Các chất HĐBM và polymer được sử dụng để hỗ trợ tính di chuyển và giảm SCBM liên diện giữa hai pha dầu và nước và giảm tăng độ nhớt của dung dịch bơm ép, nhờ đó cho phép thu hồi thêm dầu từ bể chứa. Ứng dụng của phương pháp này thường bị hạn chế bởi chi phí cao của hóa chất, sự thất thoát và hấp phụ của chúng lên đá trong mỏ chứa. Ngoài ra, phương pháp bơm chất HĐBM hoặc polymer có thể bị giảm tính hóa học trong điều kiện khắc nghiệt với nhiệt độ và áp suất cao của mỏ. Hơn nữa, nước muối có độ cứng nước cao và độ nhớt của dầu tương đối cao dẫn đến khả năng mài mòn 4
của khối đá ngăn các túi dầu/khí và thất thoát lưu chất bơm khi chảy qua các mỏ chứa là hạn chế của phương pháp này [6]. 1.3. Cơ chế tác động Về cơ bản, dầu bị giữ lại trong vỉa có thể xem gồm hai loại: dầu lưu trong những vùng được quét bởi nước bơm ép và dầu linh động trong những vùng không được quét hoặc những vùng được quét không đáng kể bởi nước bơm ép [7]. Quá trình TCTHD dựa vào cơ chế đẩy dầu/thay thế dầu thông qua các lưu chất bơm ép có những đặc tính khác nhau như đã nêu trên, nhằm giúp dầu còn sót lại có thể đến được giếng khai thác. Hiệu suất thay thế hay hiệu suất quét đại diện cho hiệu quả của quá trình quét dầu và bất kì một quá trình thu hồi dầu nào cũng đều có một hiệu suất quét toàn phần, hiệu suất này có thể được viết thông qua hiệu suất quét vi mô và hiệu suất quét vĩ mô [8]: Soi  Sor E  E D .E V  E V (1.1) Soi Trong đó: E : hiệu suất quét toàn phần, là tỉ lệ giữa thể tích dầu được thu hồi và thể tích dầu lúc mới bắt đầu quá trình; ED : hiệu suất quét vi mô, nó liên quan đến sự thay thế và tính linh động của dầu trong các khe đá nứt nẻ và lỗ rỗng của vỉa; là thang đo hiệu quả của lưu chất thay thế trong việc di chuyển dầu tại những nơi mà lưu chất tiếp xúc với dầu; phản ảnh độ lớn của độ bảo hòa dầu dư Sor trong vùng tiếp xúc với lưu chất thay thế. EV : hiệu suất quét vĩ mô; nó liên quan đến hiệu quả tương tác của thể tích lưu chất bơm ép khi tiếp xúc với vỉa, đôi khi còn có tên gọi là hệ số quét và hệ số tương hợp [8], biểu thị hiệu quả quét của lưu chất thay thế trong vỉa, cả theo phương ngang lẫn theo phương dọc miễn là thay thế dầu để dầu có thể đi đến giếng khai thác. Soi : Độ bão hòa dầu ban đầu; Sor : Độ bão hòa dầu dư. 5