Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật khai thác dầu khí: Nghiên cứu loại chất lỏng hợp lý cho công tác nứt vỉa thủy lực các giếng dầu khí tại miền võng Hà Nội

Chia sẻ: Lê Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

99
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu lựa chọn chất lỏng NVTL thích hợp với điều kiện thành tạo của các vỉa khí MVHN, phần trọng yếu quyết định thành công của công tác NVTL; nghiên cứu đề xuất chế tạo chất lỏng NVTL trên cơ sở gốc dầu điezen (gel hydrocacbon) trong điều kiện Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật khai thác dầu khí: Nghiên cứu loại chất lỏng hợp lý cho công tác nứt vỉa thủy lực các giếng dầu khí tại miền võng Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT Bùi Minh Sơn NGHIÊN CỨU LOẠI CHẤT LỎNG HỢP LÝ CHO CÔNG TÁC NỨT VỈA THỦY LỰC CÁC GIẾNG DẦU KHÍ TẠI MIỀN VÕNG HÀ NỘI Chuyên ngành: Kỹ thuật khai thác dầu khí Mã số: 62.53.50.05 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT KHAI THÁC DẦU KHÍ Hà Nội - 2012
Công trình đư ợc hoàn thành tại: Bộ môn Khoan - Khai thác, Khoa Dầu khí, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Hoàng Dung 2. TS. Tạ Đình Vinh Phản biện 1: ……………………………………………… ……………………………………………………………. Phản biện 2 ……………………………………………… ………………………………………………………….. Phản biện 3: ……………………………………………… …………………………………………………………….. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại Trường đại học Mỏ - Địa chất vào hồi …..giờ … ngày … tháng… năm… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia Hà Nội hoặc Thư viện Trường đại học Mỏ - Địa chất.
-1- MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong nhiều năm qua khí được khai thác từ mỏ THC, ĐQD và D14-STL để cung cấp cho các khu công nghiệp thuộc tỉnh Thái Bình. Sản lượng khí có xu hướng sụt giảm hàng năm, nhiều giếng khai thác khí bị ngập nước khiến cho phải đóng giếng hoàn toàn. Mặc dù đã liên tục điều chỉnh chế độ khai thác, tiến hành rửa giếng và gọi dòng lại và đưa nhiều vỉa mới vào khai thác nhưng vẫn không đáp ứng được nhu cầu khí cho các mục đích công nghiệp ngày càng tăng. Thực tế đó đặt ra vấn đề phải tìm những biện pháp công nghệ thích hợp để kích thích các vỉa sản phẩm khí nhằm tăng lưu lượng khai thác. Ngay từ năm 1996 Công ty Anzoil & Maurel Prom (M&P) ãđ sử dụng phương pháp nứt vỉa thủy lực (NVTL) ở các giếng khoan thuộc đối tượng mỏ D14-STL (D14-STL-1X, D14-2X và D14-STL- 3X), bước đầu đạt được một số kết quả nhất định, mở ra triển vọng thực tế của việc áp dụng công nghệ NVTL tại các giếng khoan khí ở miền võng Hà Nội (MVHN). Trong khuôn khổ các hợp đồng ký kết với Vietsovpetro Công ty Dowell Schlumberger trong khoảng từ 1995 đến 1998 đã th ực hiện công nghệ NVTL, NVTL + axit hóa + bơm N2 và NVTL + N2 ở 5 giếng khoan thuộc tầng móng tại mỏ Bạch Hổ với một số thành công ban đầu. Trên thế giới, hiện nay có khoảng 30 ÷ 40% tổng số giếng khoan đã đư ợc NVTL, trong số đó 25 ÷ 30% số giếng là được thực hiện ở Mỹ. Tuy nhiên, ở nước ta cho đến nay hầu như chưa có công trình nghiên c ứu nào đề cập đến các vấn đề có liên quan đến công nghệ NVTL. Vì vậy, đề tài nghiên cứu này xét theo khía cạnh khoa học và thực tiễn có ý nghĩa c ấp thiết và thiết thực, nhằm tạo ra yếu tố quyết định cho sự thành công của việc áp dụng công nghệ NVTL tại MVHN. 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu lựa chọn chất lỏng NVTL thích hợp với điều kiện thành tạo của các vỉa khí MVHN, phần trọng yếu quyết định thành công của công tác NVTL. - Nghiên cứu đề xuất chế tạo chất lỏng NVTL trên cơ sở gốc dầu điezen (gel hydrocacbon) trong điều kiện Việt Nam.
-2- 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu lựa chọn các loại chất lỏng NVTL để thực hiện công tác NVTL cho các giếng khai thác khí có tầng chứa là cát kết chặt sít Mioxen, Oligoxen có độ rỗng và độ thấm thấp. Tầng chắn sét kết và tầng chứa cát kết mỏng đan xen nhau, khả năng trương nở và khuyếch tán của khoáng sét nhậy cảm với nước vào tầng chứa cát kết là rất lớn, làm giảm độ thấm của vỉa. Đối tượng chứa có nhiệt độ cao, và đã b ị nhiễm bẩn nặng trong quá trình khoan, hoàn thiện và sửa chữa giếng. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu loại chất lỏng NVTL gốc dầu (điezen) được tạo độ nhớt bởi tác nhân tạo gel là muối nhôm của alkyl axit octophotphat với chất tạo liên kết ngang là hỗn hợp metylen+m-phenylene diamin. - Độ nhớt thích hợp để vận chuyển hạt chèn và giữ hạt chèn ở trang thái lơ lửng đồng thời bền ở nhiệt độ cao của vỉa. Nghiên cứu tác nhân phá gel trên cơ sở hỗn hợp Ca(OH)2 + NaHCO3 để làm giảm độ nhớt sau khi chất lỏng NVTL thực hiện nứt vỉa và đưa vật liệu chèn vào không gian của khe nứt mới hình thành nhằm làm sạch khe nứt và tăng độ rỗng và độ thấm của vỉa. Nghiên cứu bọc cát chèn bằng nhựa epoxy để tạo ra các nút cát có độ rỗng, liên kết với thành tạo trong không gian các khe nứt vừa hình thành. Và cuối cùng để xuất quy trình bơm chất lỏng NVTL gốc dầu. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc địa chất, thành phần thạch học của đá chứa, đá chắn và đặc điểm của vỉa chứa (nhiệt độ, áp suất, tính di dưỡng của đá chứa) các giếng khai thác khí MVHN để làm cơ sở lựa chọn phương pháp tác động lên vùng cận đáy giếng và chất lỏng NVTL thích hợp. - Phân tích các tài liệu thực tiễn của Anzoil và M&P trong việc áp dụng công nghệ NVTL trên đối tượng D14-STL và công nghệ NVTL của Dowell Schlumberger trên đối tượng móng của mỏ Bạch Hổ, đặc biệt là những kinh nghiệm thực tiễn của các Công ty hàng đầu về lĩnh vực NVTL như Schlumberger, BJ và Halliburton trong hơn 60 năm qua, để vận dụng vào việc nghiên cứu chất lỏng NVTL
-3- trên cơ sở gốc dầu điezen với tác nhân gel hóa có thể pha chế dễ dàng trong điều kiện thực tế ở Việt Nam. - Nghiên cứu những điều kiện cần thiết để đảm bảo cho hệ gel hydrocacbon thực hiện tốt chức năng gây nứt vỡ, vận chuyển và giữ hạt chèn ở trạng thái lơ lửng và trở lại độ nhớt ban đầu của dầu gốc khi hoàn thành quá trình NVTL. - Đề tài cũng nghiên cứu quy trình bơm cơ bản đối với chất lỏng NVTL gốc dầu để làm cơ sở cho quá trình áp dụng thực tiễn. 5. Phương pháp nghiên cứu Trong quá trình thực hiện luận án đã s ử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây: - Phân tích tổng hợp các tài liệu lý thuyết cơ sở, các hướng dẫn quy trình áp dụng công nghệ NVTL ở giếng khoan của các Công ty như Schlumberger, BJ và Halliburton theo đặc điểm của các vỉa sản phẩm - Phân tích các tài liệu thực tiễn đã công bố về các kết quả áp dụng công nghệ NVTL ở MVHN và Vietsovpetro để liên hệ cho nghiên cứu đề tài luận án. - Tiến hành thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để chế tạo chất lỏng NVTL gốc dầu (gel hydrocacbon), chất phá gel, chất bọc hạt chèn tạo độ thấm cao và đánh giá kết quả thu được thu được (đối chiếu với các thông số yêu cầu của chất lỏng NVTL). 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học Đề xuất giải pháp xử lý vùng cận đáy giếng các giếng khoan MVHN bằng chất lỏng NVTL gốc dầu (gel hydrocacbon) và đưa ra quy trình công nghệ chế tạo gel hydrocacbon, bọc nhựa epoxy hạt chèn, phá gel và đề xuất quy trình bơm chất lỏng NVTL gốc dầu. Ý nghĩa thực tiễn - Góp phần tạo ra một giải pháp kỹ thuật NVTL cho các vỉa sản phẩm là cát kết chặt sít, xi măng gắn kết là sét cacbonat, cát kết xen lẫn sét kết với tính chất colector của vỉa thấp, có nhiệt độ vỉa cao (đối tượng THC, DQD, D14 STL, B10,...) và các đối tượng tương tự ở các vùng mỏ dầu khí khác, khắc phục những hiện tượng khó khăn phức tạp khi NVTL bằng chất lỏng NVTL gốc nước.
-4- - Tạo ra công nghệ chế tạo chất lỏng NVTL gốc dầu (gel hydrocacbon) dễ dàng pha chế trên cơ sở các nguyên liệu sẵn có trong nước, phù hợp với điều kiện thực địa và đáp ứng được các yêu cầu của thực tiễn sản xuất. 7. Những điểm mới về khoa học và luận điểm bảo vệ - Chất lỏng NVTL gốc dầu (gel hydrocacbon) phù hợp với đối tượng tầng chứa ở các giếng khoan khí ở MVHN thay thế cho chất lỏng NVTL gốc nước là giải pháp hợp lý. - Đề xuất công nghệ chế tạo chất lỏng NVTL gốc dầu trên cơ sở tác nhân tạo gel là muối nhôm của alkyl axit octophotphat (AlDo) nồng độ từ 1,25 % đến 2 % với chất tạo liên kết (hỗn hợp của metylen + m-phenylene diamin) với tác nhân phá gel Ca(OH)2 và NaHCO3 và có bổ sung nhựa epoxy và lượng diamin để đóng rắn nhựa epoxy. Chương 1 NHU CẦU CẤP KHÍ VÀ TIỀM NĂNG DẦU KHÍ CỦA MVHN Trình bày tổng quan tiềm năng dầu khí của MVHN, đặc biệt lưu ý đến tiềm năng về khí đã phát hiện và khai thác được tại các mỏ THC, ĐQD và D14-STL với trữ lượng đã đư ợc các Cơ quan xác minh và thẩm lượng. Từ các thông tin thu được có thể rút ra một số nhận xét sau đây: - Hệ thống cấp khí tự nhiên đang cung cấp khí cho khu công nghiệp Tiền Hải với sản lượng cung cấp khí ngày càng suy giảm và không đáp ứng được nhu cầu công nghiệp ngày càng tăng. Vấn đề nâng cao sản lượng cung cấp khí hàng năm cho các khu công nghiệp trở thành một vấn đề cấp thiết. - Đối tượng chứa dầu khí của MVHN là các tầng cát kết Oligoxen và Mioxen, thường xen kẽ với các lớp bột kết mỏng, hàm lượng xi măng sét - cacbonat cao có độ rỗng, độ thấm kém đến trung bình. Tầng chứa Oligoxen và Mioxen dưới có đá chứa là cát kết với sự gắn kết bởi xi măng sét, cacbonat. Cát kết thường là lithic hoặc lithic - arko với thành phần mảnh sét < 15 %, xen kẽ các lớp than và vỉa than mỏng. Tầng chứa Mioxen trung có đá chứa là cát kết gắn kết yếu, xi măng gắn kết chủ yếu là sét trong đó thành phần chính là cao lanh và có mặt montmorillonit..., sự có mặt của các khoáng sét là nguyên nhân quan trọng ảnh hưởng đến kết quả gọi dòng và giải
-5- thích những vấn đề phức tạp gặp phải ở các giếng khoan MVHN. Đây cũng chính là đặc điểm cần phải lưu ý khi l ựa chọn chất lỏng NVTL hợp lý cho các giếng khoan khai thác khí ở MVHN. - Sự thay đổi građien địa nhiệt MVHN theo mặt cắt không đồng đều, građien địa nhiệt trung bình cho toàn khu vực là 4,10C/100 m. Ở chiều sâu 3000 m nhiệt độ thay đổi trong phạm vi lớn từ 120 ÷ 1500C. Ở chiều sâu 3500 m nhiệt độ ở khoảng 130 ÷ 1800C. Ở chiều sâu 4000 m nhiệt độ dao động trong phạm vi từ 145 ÷ 2000C Chương 2 TÌNH HÌNH THĂM DÒ KHAI THÁC DẦU KHÍ TẠI MVHN Trong chương này trình bày khái quát tình hình thăm dò d ầu khí tại MVHN, hiện trạng khai thác dầu khí ở MVHN đặc biệt là hiện trạng khai thác khí tại mỏ khí D14-STL. Đồng thời chương này cũng đề cập đến các phương pháp tác động lên vùng cận đáy giếng và điểm qua tình hình áp dụng công nghệ NVTL tại MVHN. Ở đây tác giả muốn nhấn mạnh một số vấn đề sau đây: - Sản lượng khí khai thác từ các mỏ THC, ĐQD và STL-14 có xu hướng giảm sút hàng năm, đã có trư ờng hợp phải đóng giếng. Mặc dù đã liên tục điều chỉnh chế độ khai thác và tiến hành rửa giếng, gọi dòng và đưa nhi ều vỉa mới vào khai thác nhưng vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu khí cho các mục đích công nghiệp ngày càng tăng. Thực tế đó đòi hỏi phải tìm biện pháp công nghệ kích thích vỉa sản phẩm nhằm tăng lưu lượng khí khai thác. - Từ năm 1996 công ty Anzoil và tiếp theo là M&P đã ti ến hành NVTL tại các giếng D14-STL-1X, D14-STL-2X, D14-STL-3X ở mỏ D14-STL. Kết quả gọi dòng sau NVTL không thỏa mãn mong muốn đặt ra. Vấn đề này đòi hỏi cần xem xét lại công nghệ NVTL đã áp dụng trong đó có việc sử dụng chất lỏng NVTL gốc nước mà Anzoil và M&P đã sử dụng - Điểm qua các kết quả áp dụng công nghệ NVTL ở các giếng khai thác khí thuộc MVHN mà công ty Anzoi và M&P đã áp d ụng có thể đưa ra một số nhận định sau đây: 1. Lựa chọn NVTL là phương pháp chủ đạo để tăng độ rỗng và độ thấm trong vỉa sản phẩm chứa khí của MVHN là một hướng đi đúng, có triển vọng thực tế (một số giếng cho lưu lượng tăng gấp 7 lần).
-6- 2. Phương pháp NVTL đã phù h ợp với đối tượng áp dụng, các tầng sản phẩm bị nhiễm bẩn nặng, mà công tác xử lý axit trư ớc đây không mang lại kết quả. Việc lựa chọn chất lỏng NVTL gốc nước, gel hóa (tăng độ nhớt của chất lỏng) bằng guar gum hợp chất trên cơ sở tinh bột là không phù hợp vì: - Qua công tác khoan, hoàn thiện và sửa chữa giếng khoan cho thấy hiện trạng các vỉa chứa khí bị nhiễm bẩn nặng (hiệu ứng skin lớn từ 14 ÷ 80). Chính vì phần nước lọc của dung dịch khoan (filtra) tiếp xúc lâu với vỉa chứa đã tương tác với các phần tử sét nhạy cảm với nước (montmorillonit, hydromica, clorit, caolinit,...) làm các hạt sét mịn phân tán mạnh vào các khe rỗng của đất đá, vốn đã có đ ộ rỗng rất thấp, ngăn trở dòng khí từ vỉa đi vào giếng. Nếu sử dụng dung dịch NVTL gốc nước thì phần mất dung dịch của chất lỏng NVTL (leakoff) là nước sẽ lại tiếp tục được đưa thêm vào vỉa có thể ảnh hưởng xấu đến các kênh dẫn. - Quá trình phá hủy gel của chất lỏng NVTL gốc nước (gel trên cơ sở guar gum) có thể đã tạo ra các tạp chất gây ảnh hưởng xấu đến các kênh dẫn. Như vậy, để thực hiện NVTL thành công thì việc chọn chất lỏng NVTL hợp lý là một trong những yếu tố quyết định. Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NỨT VỈA THỦY LỰC (HYDRAULIC FRACTURING) VÀ CHẤT LỎNG NỨT VỈA THỦY LỰC Trong chương này đã giới thiệu các cơ sở lý thuyết về NVTL như bản chất của phương pháp, đối tượng áp dụng, các cơ sở để lựa chọn vỉa tiến hành NVTL, lựa chọn giếng NVTL, các dữ liệu cần thu thập các mô hình tính toán, các hệ chất lỏng NVTL gốc dầu và gốc nước, phân tích cơ chế tạo nên chức năng của chất lỏng NVTL gốc dầu (tạo khe nứt mới và mở rộng khe nứt, vận chuyển hạt chèn), các hóa chất phụ gia sử dụng trong chất lỏng NVTL, các khái niệm cơ bản về hạt chèn, các cơ sở lựa chọn chất lỏng NVTL gốc dầu cho công tác NVTL các giếng khoan tại MVHN... Trên cơ sở các tài liệu đã trình bày chi tiết trong luận án tác giả đã nhấn mạnh những vấn đề sau đây: - Bản chất của phương pháp NVTL: bơm chất lỏng dưới áp suất cao để tạo và mở rộng thêm các khe nứt trong vỉa sản phẩm, sau đó bơm ép chất lỏng - cát (vật liệu chèn) vào vỉa để chèn khe nứt tạo
-7- thành với mục đích giữ ổn định khe nứt, bảo đảm khả năng chảy thấm tốt và duy trì độ thấm sau khi kết thúc quá trình nứt vỉa. - Đối tượng áp dụng NVTL: Các tầng sản phẩm bị hỏng nặng do nhiễm bẩn mà công tác xử lý trước đó không mang lại hiệu quả cao. Vỉa có các hạt mịn (sét, cát bở rời…) chảy vào giếng làm nhiễm bẩn, thành hệ có tầng sét-cát xen kẽ nhau, mối liên kết thủy động lực giữa các thấu kính cát với lỗ bắn mở vỉa bị hạn chế. Vỉa có độ thấm thấp cần có những khe nứt để mở rộng bán kính ảnh hưởng trong tầng sản phẩm, nâng cao sản lượng khai thác. Các tính chất cơ bản của vỉa là nhân tố để áp dụng NVTL là: - Độ thấm: 0.01-10 mD - Áp suất tầng chứa trung bình hay cao - Thành hệ dày và có thể tích khí lớn - Được cách ly bởi tầng các tầng chắn - Bán kính dẫn lưu lớn - Chất lỏng NVTL: là khâu trọng yếu trong công nghệ NVTL. Chất lỏng NVTL có chức năng chính là tạo và phát triển khe nứt, vận chuyển hạt chèn vào khe nứt và giữ hạt chèn ở trạng thái lơ lửng cho đến khi khe nứt đóng lại. Để thực hiện một cách hiệu quả những nhiệm vụ nêu trên thì chất lỏng NVTL lý tưởng cần phải có một tổ hợp các yếu tố sau đây: - Giá thành thấp - Dễ sử dụng - Áp suất ma sát thấp trên các đường ống - Có độ nhớt cao trong khe nứt tạo thành để giữ hạt chèn ở trạng thái lơ lửng - Có độ nhớt thấp sau quá trình xử lý để dễ dàng phá vỡ cấu trúc gel ban đầu. - Có tính tương hợp với vỉa chứa, chất lỏng vỉa và hạt chèn. - An toàn khi sử dụng - Thân thiện với môi trường - Hạt chèn: Hạt chèn là vật liệu dạng hạt tròn được thiết kế để đưa vào khe nứt nhằm giữ cho khe nứt được mở khi áp suất giảm xuống dưới áp suất đóng khe nứt. Tính dẫn của khe nứt liên quan trực tiếp đến số lượng của hạt chèn trong khe nứt, dạng hạt chèn và kích cỡ của hạt chèn. - Cơ sở lựa chọn chất lỏng NVTL gốc dầu cho công tác NVTL các giếng khí tại MVHN:
-8- + Các vỉa chứa khí là cát kết (ở Oligoxen và Mioxen dưới là chặt sít, ở Mioxen trung và trên là gắn kết yếu), xi măng gắn kết là sét và cacbonat. Đó là đối tượng cho phép NVTL thuận lợi. + Các tầng chắn dày, các lớp xen kẹp, xi măng gắn kết là sét. Do đó trong quá trình khoan và hoàn thi ện giếng thì ngoài mùn khoan, dung dịch khoan còn một lượng không nhỏ khoáng sét được sinh ra bởi tác động cơ học và thủy lực, thủy hóa, chúng phân tán, kết đọng gây bít nhét các kẽ nứt, khe hở dẫn đến độ rỗng và độ thấm kém. Hơn nữa các hạt sét có kích thước rất nhỏ (0,001 mm), khoáng sét lại có tính xúc biến cao (khi chịu tác động thì phá vỡ cấu trúc, để yên lại phục hồi cấu trúc) nên nó dễ chui sâu, chui xa và kết đọng. Ngoài ra sét còn có tính ương tr n ở khi tiếp xúc với nước, nhất là với sét montmorillonit có khả năng trương nở và phân tán rất lớn. Bởi vậy, nếu dùng chất lỏng NVTL gốc nước sẽ bị ảnh hưởng xấu của sét, vì khoáng sét lại tiếp tục tiếp xúc thêm với nước của chất lỏng NVTL gốc nước. Một vấn đề cần quan tâm nữa là nhiệt độ vỉa của các mỏ dầu khí. Các mỏ khí ở MVHN cũng như tại mỏ D14-STL đều có nhiệt độ cao (ở độ sâu 3500 m nhiệt độ khoảng 130 ÷ 1800C, trung bình là 1550C). Chất lỏng NVTL gốc dầu có ưu điểm là chịu nhiệt độ cao trên 1770C (3500F). Như vậy ở đây sử dụng chất lỏng NVTL gốc dầu phát huy được các yếu tố: + Độ nhớt cao, ma sát thấp nên có khả năng trong việc truyền tải năng lượng gây nứt vỡ vỉa và vận chuyển cũng như chèn v ật liệu chèn tốt; + Không tương tác với khoáng sét gây ra các hiện tượng phức tạp, rắc rối; + Tương thích với vỉa sản phẩm, không làm hư hại vỉa; + Ổn định ở nhiệt độ cao; + Chất lỏng NVTL gốc dầu sau khi phá gel sẽ có độ nhớt gần với độ nhớt dầu nền tạo điều kiện để thu hồi tái sử dụng, góp phần hạ giá thành NVTL. + Trên thế giới đã có nhi ều giếng thực hiện NVTL bằng chất lỏng gốc nước không thành công người ta chuyển sang dùng chất lỏng NVTL gốc dầu và đã đạt được thành công tốt. Điển hình là trường hợp ở mỏ dầu Bakhilov, Bắc Khokhriakov thuộc Tây Xiberia (Liên bang Nga). Mỏ được phát hiện năm 1983. Tầng chứa là cát kết, tầng chắn là sét kết và agrilit, độ rỗng 14 ÷ 18 %, độ thấm 0,5 ÷ 1,5
-9- mD. Độ bão hòa nước ban đầu trung bình là 12 %. Mỏ đưa vào khai thác năm 1987, bắt đầu bơm ép nước năm 1988. Sản lượng dầu khai thác được cao nhất vào các năm 1991, 1992, sau đó sụt giảm nhanh xuống 50 %. Người ta đã tiến hành NVTL bằng chất lỏng NVTL gốc nước. Tuy có tăng độ thấm nhưng qua phân tích, đánh giá nhận thấy cần tăng chiều dài khe nứt với việc xem xét lại chất lỏng NVTL. Người ta đã ti ến hành NVTL trên 23 giếng khoan bằng chất lỏng NVTL gốc dầu và thay cho chất lỏng NVTL gốc nước và kết quả đạt được đã vư ợt quá sự mong đợi: hầu hết các giếng đạt lưu lượng 70 m3/ngày (440 bopd), tăng hơn 10 lần so với NVTL bằng chất lỏng NVTL gốc nước. Chương 4 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN & CHẾ TẠO CHẤT LỎNG NỨT VỈA THỦY LỰC HỢP LÝ CHO CÔNG TÁC NỨT VỈA THỦY LỰC CÁC GIẾNG DẦU KHÍ TẠI MVHN 4.1 Cơ sở khoa học chế tạo chất tạo gel Chất tạo gel là hợp chất liên kết của muối nhôm và este photphat (được minh họa ở hình 4.1) là một muối nhôm thế không hoàn toàn của dieste octo photphat và một lượng nhỏ poliamin. Hình 4.1: Chất tạo gel là hợp chất liên kết của muối nhôm và este photphat Alkyl axit octo photphat là sản phẩm của phản ứng của các rượu béo với pentoxit photphoric (P205) theo phản ứng sau:
-10- Ở đây R là gốc alkyl có C1 đến C5 và ROH là rượu no alkanol C1 đến C5 hoặc hỗn hợp của chúng; R' là gốc alkyl hoặc alkenyl C6 đến C22, và R'OH là rượu no alkanol hoặc alkenol hoặc hỗn hợp của chúng. Hỗn hợp alkyl axit octophotphat có chứa ba nhóm chức axit đặc trưng bởi công thức sau đây H3 [alkyl octophotphat]2. Cấu tạo này có tính axit nên cần 3 đương lượng kiềm để trung hòa. Phản ứng tạo muối nhôm được thực hiện bằng cách trộn Al(OH)3 với alkyl axit octophotphat, phản ứng xảy ra hoàn toàn ở nhiệt độ 380C-1210C. Quá trình này có thể diễn ra không cần có mặt của dung môi pha loãng. Các dung môi như kerosen, điezen, hydrocacbon vòng thơm hoặc naphta có thể sử dụng nhằm điều hòa tốc độ phản ứng. Muối nhôm thế một phần tạo ra do quá trình thế nhôm không hoàn toàn được biểu điễn bằng công thức sau: H(3-3x)Alx [alkyl octophotphat]2 Ở đây x nằm trong khoảng từ 0,2 đến 0,7 được xác định bởi lượng hợp chất kiềm nhôm sử dụng trong quá trình điều chế. Tỷ lệ của P và Al trong muối này dao động từ 10/1 đến 2,86/1, hợp chất phức này chưa thể tạo gel hay làm đặc ngay khi hòa tan hoặc phân tán vào dầu hydrocacbon. Để tạo gel ta cần phải trung hòa axit. Sử dụng poliamin có chứa 2 hoặc nhiều nhóm amin để trung hòa lượng axit. Các poliamin mạch thẳng (gồm etylen diamin và dietylen triamin, trietylen tetramin, tetraetylen pentamin), propylen diamin, polyamin vòng thơm (phenylen diamin, metylen dianilin) cũng đư ợc sử dụng để trung hòa axit. 4.2 Thí nghiệm điều chế chất tạo gel hydrocacbon Chất tạo gel là muối nhôm dialkyl axit octophotphot được tiến hành theo phương pháp: Phương pháp 1: Alkyl axit octophotphat được chế tạo như sau: - Cho 112 g P2O5 vào bình phản ứng; - Thêm 74,7 gam rượu n-butanol vào đến khi phản ứng hoàn toàn; - 299,3 gam (1,7 mol) rượu n-dodecanol được cho vào bình phản ứng trong khi khuấy (có thể sử dụng hỗn hợp rượu no n-alkanol có số nguyên tử C từ C12 ÷ C22 ). Hỗn hợp phản ứng được gia nhiệt từ từ đến khi xuất hiện dòng hồi lưu và khuấy đều cho đến khi lượng P2O5 phản ứng hết. Lấy hỗn hợp alkyl axit octophotphat vừa được
-11- chế tạo cho phản ứng với 25,8 gam hydroxit nhôm (chiếm 42 % theo số tỷ lượng). Khuấy trộn đều hỗn hợp và gia nhiệt đến 1100C trong khoảng thời gian 1 giờ. Chất tạo ra sau phản ứng này là muối nhôm thế không hoàn toàn (được ký hiệu là AlDo). Phương pháp 2: - Cho 53,8 gam P2O5 vào bình phản ứng; - Rót 29,3 gam n- butanol vào bình phản ứng và khuấy đều đến khi phản ứng hết. - Tiếp tục đổ 102 gam rượu n-octanol vào bình phản ứng và khuấy đều trong 1 giờ đến khi P2O5 phản ứng hết. - Lấy 100 gam của chất tạo thành sau phản ứng sau đó cho phản ứng với 9,76 gam Al(OH)3, khuấy đều và tăng nhiệt độ lên 1100C trong 1 giờ cho bay hết hơi nước. - Chất tạo gel tan trong dầu là muối nhôm được thế một phần của các rượu n-butanol, n-octanol với axit octophotphoric được ký hiệu AlOc. Sản phẩm thu được là sản phẩm liên kết giữa muối nhôm và este của axit photphot là một chất lỏng nhớt được làm nguội rồi cho phân tán vào dầu điezen (hay các sản phẩm dầu và dầu tổng hợp...) với nồng độ tối đa 2 %. 4.3 Thí nghiệm tạo gel để tạo gel cho hydrocacbon lỏng Gel được điều chế theo các phương pháp 1 và 2 được sử dụng để tạo gel cho các loại dầu hydrocacbon tiến hành theo quy trình thí nghiệm và kết quả như bảng 4.1 Bảng 4.1: Thí nghiệm tạo gel hydrocacbon Kết Mẫu Loại Số Thành phần quả tạo No amin lượng gel 1 250ml dầu + 2 g AlDo (0,8%) TEPA 0,3 ml gel 2 250ml dầu + 2 g AlDo (0,8%) TETA 0,25 ml gel MDA 3 250ml dầu + 2 g AlDo (0,8%) 0,75 ml gel PDA 4 250ml dầu + 2 g AlOc (0,8%) TETA 0,4 ml gel MDA 5 250ml dầu + 2 g AlOc (0,8%) 0,83 ml gel PDA 6 250ml dầu + 2 g AlOc (0,8%) TEPA 0,6 ml gel
-12- Ghi chú: TEPA = Tetraethylen pentamin; TETA = triethylen tetramin; MDA = Methylen diamin; PDA = m- phenylen diamin 4.3.1. Thí nghiệm khả năng tạo gel của muối nhôm với các hợp chất amin khác - Hòa tan 2 gam muối nhôm AlDo trong 250 ml dầu điezen, khuấy với tốc độ cao. Sau đó thêm 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 ml TEA- Trietylamin vào dung dịch, ta thấy dung dịch không có biểu hiện bị đặc (có độ nhớt). Điều này chứng tỏ rằng monoamin không có tác dụng làm đặc (tạo nhớt) như các poliamin ở các thí nghiệm trên (bảng 4.1). Như vậy gel chỉ được tạo thành với poliamin. 4.3.2. Thí nghiệm bọc hạt chèn bằng epoxy Quá trình tạo gel hydrocacbon kết hợp với việc bọc hạt chèn bằng epoxy như sau: - Muối nhôm AlDo + điezen (hoặc AlOc + điezen) + poliamin kiềm mạnh (TEPA) lượng đủ để trung hòa tạo gel + epoxy (hòa tan trong etyl axetat) + amin thơm (m-phenylene diamin) với lượng vừa đủ (tác nhân đóng rắn nhựa epoxy). - Muối nhôm AlDo + điezen (hoặc AlOc + điezen) + NaOH 30%+ epoxy (hòa tan trong etyl axetat) + amin ơm th (m -phenylene diamin) với lượng vừa đủ (tác nhân đóng rắn nhựa epoxy). Tóm lại thành phần của gel hydrocacbon gồm chất lỏng hydrocacbon, muối nhôm thế từng phần của alkyl axit octophotphat và một lượng poliamin để trung hòa và giữ đặc tính gel với sự có mặt nhựa epoxy và diamin thơm. 4.4 Các đặc tính cơ bản của chất lỏng nứt vỉa gel hydrocacbon 4.4.1. Đặc tính của dầu nền Dầu nền sử dụng không gây độc hại và có hàm lượng hydrocacbon thấp, độ nhớt động học thấp nhiệt độ bắt cháy lớn hơn 670C (1520F). Nhiệt độ chảy dẻo phải thấp hơn nhiệt độ môi trường để dễ bơm đẩy, điểm anilin 650C để làm giảm sự phá hủy các chi tiết được chế tạo bằng cao su. 4.4.2. Đặc tính của gel hydrocacbon 4.4.2.1. Tính chất của chất tạo gel AlDo Chất tạo gel dầu AlDo có thể được sử dụng cho hệ chất lỏng NVTL làm việc ở nhiệt độ cao hơn 1490C. Tính chất điển hình như sau: - Trạng thái: chất lỏng nhớt - Tỷ trọng ở 160C: 0,98 - 1,03
-13- - Nhiệt độ đông đặc: -100C - Nhiệt độ bắt cháy: lớn hơn 880C - pH: nhỏ hơn 2 - Độ hòa tan trong nước: không hòa tan - AlDo được sử dụng cho hệ chất lỏng chịu nhiệt độ cao với các loại dầu thô, dầu hỏa, diesel hoặc các dầu tổng hợp. Khi pha vào trong hệ chất lỏng nứt vỉa có thể làm giảm ma sát lên đến 60 % so với dầu thô không có chất tạo gel, do đó làm giảm áp lực bề mặt và yêu cầu về năng lượng trong khi nứt vỉa. Đối với hệ chất lỏng NVTL có AlDo không cần thiết thêm hóa chất phụ gia làm giảm ma sát. AlDo được cho trực tiếp vào bể khuấy ở nồng độ từ 6 ÷ 16 % thể tích để tạo ra một hệ chất lỏng gel độ nhớt cao với những đặc tính giảm ma sát tốt. Hàm lượng AlDo nhất định phụ thuộc vào yêu cầu độ nhớt của chất lỏng và các điều kiện nhiệt độ. Thí nghiệm khảo sát sa lắng của hạt chèn với độ nhớt của chất lỏng được tạo gel bởi AlDo. Tốc độ sa lắng của cát chèn cỡ 20 ÷ 40 mắt lưới (mesh) ở nhiệt độ 250C trong dầu điezen có nồng độ 0,8 % gel AlDo trong dầu điezen (hình 4.2). Phần thể tích của hạt chèn P c Hình 4.2: Biểu đồ tốc độ sa lắng hạt chèn 20/40 trong dầu điezen tạo gel với 0,8% AlDo (trục hoành quy về thang logarit)
-14- 4.4.2.2. Thay đổi độ nhớt của dầu điezen tạo gel với chất tạo gel AlDo Thay đổi độ nhớt của dầu điezen tạo gel với chất tạo gel AlDo ở 68 C, ở các nồng độ khác, tốc độ quay của máy đo độ nhớt FANN 0 35A ở 170s-1 được xác định ở bảng 4.2. Bảng 4.2: Độ nhớt của dầu điezen tạo gel với chất tạo gel AlDo ở 250 C Thời gian Độ nhớt (cPs) (phút) 0,4 % 0,5 % 0,6 % 30 210 280 365 60 212 285 371 90 213 287 377 120 215 289 379 150 217 290 383 180 218 290 385 210 218 290 387 240 217 291 389 270 216 291 391 300 217 291 393 4.5 Nghiên cứu phá gel của chất lỏng NVTL gốc dầu Việc phá vỡ cấu trúc gel nhằm làm sạch khe nứt, cho phép tăng độ rỗng và độ thấm của vỉa. Chất phá vỡ cấu trúc gel, làm giảm độ nhớt sau khi chất lỏng nứt vỉa thực hiện nứt vỉa và đưa vật liệu chèn vào không gian của khe nứt mới hình thành. Chất phá gel cần có tác dụng trong khoảng thời gian phù hợp để giếng không bị dừng khai thác trong thời gian quá lâu do tốc độ phá gel diễn ra chậm. Ngược
-15- lại, không thể phá gel quá nhanh trong quá trình thực hiện nứt vỉa, vì điều này sẽ làm mất tác dụng đưa hạt chèn vào khe nứt. Các chất tạo gel sử dụng trong chất lỏng nứt vỉa gốc dầu là các muối nhôm của este alkyl octophotphat tạo ra độ nhớt cao và bị giảm độ nhớt dưới tác động của các tác nhân badơ hoặc axit. Khi hàm lượng chất badơ hoặc axit trong chất lỏng nứt vỉa dư, cấu trúc gel bị phá hủy và độ nhớt của chất lỏng nứt vỉa sẽ giảm xuống. Độ nhớt của gel hydrocacbon sau khi phá gel cần giảm dưới mức 15 cPs. Chất phá gel (bazơ) thể rắn được cho vào chất lỏng nứt vỉa cùng thời điểm với chất tạo gel. Nó không có tác dụng phá vỡ gel ngay lập tức do hàm lượng nước trong chất lỏng nứt vỉa rất ít. Theo thời gian, hàm lượng nước xâm nhập vào chất lỏng nứt vỉa gốc dầu tăng dần, các chất bazơ bị hòa tan. Khi hàm lượng nước tăng đến mức độ nhất định (khoảng 1000 ppm), chất bazơ sẽ bắt đầu có tác dụng phá gel của chất tạo gel. Nếu độ thải nước của gel dầu lớn, gel bị phá nhanh hơn, dẫn đến cường độ gel không bảo đảm mang hạt chèn. Ngoài ra, nhiệt độ cũng là một yếu tố ảnh hưởng lên phản ứng hóa học của quá trình phá gel. Trong đi ều kiện nhiệt độ vùng lân cận đáy giếng, chất phá gel cần có tác dụng trong thời gian từ 20 đến 24 giờ tính từ khi bắt đầu bơm ép chất lỏng NVTL. 4.5.1. Kết quả thí nghiệm phá gel của chất lỏng NVTL gốc dầu Mục đích nghiên cứu là đề ra phương pháp phá gel, giảm độ nhớt của chất lỏng NVTL gốc dầu ở điều kiện nhiệt độ tầng chứa trong khoảng 720C đến 1500C bằng một lượng thích hợp chất phá gel là hỗn hợp của các chất Ca(OH)2 và NaHCO3. Hàm lượng chất phá gel được lựa chọn có nổng độ trong khoảng từ 1,17 kg/m3 đến 8,2 kg/m3 của chất lỏng NVTL gốc dầu (trong thực tế người ta thường sử dụng nồng độ trong khoảng từ 2,34 kg/m3 đến 4,7 kg/m3). Độ nhớt ban đầu của chất lỏng NVTL khi có chất tạo gel ở các thí nghiệm có giá trị từ 93 ÷ 150 cPs và được duy trì khôngđ ổi trong khoảng thời gian từ 1 đến 6 giờ. Các thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ từ 72 ÷ 1500C, độ nhớt được đo trên máy FANN 35A ở tốc độ 100 vòng/phút. Tất cả các số đọc độ nhớt cuối cùng được thực hiện ở nhiệt độ quy chuẩn là 490C. Dưới đây tóm tắt các kết quả thí nghiệm thu được (bảng 4.3).
-16- Bảng 4.3: So sánh độ thải nước trước và sau khi xử lý phá gel Ca(OH)2 và NaHCO3: 60/40 Thời gian (phút) Trước xử lý (ml) Sau xử lý (ml) % giảm 1 27 5 81 4 42 6 86 9 52 7 87 16 59 8 86 25 64 9 86 4.5.2. Thí nghiệm ảnh hưởng của nước đến quá trình phá gel Thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ 1050C, độ nhớt được đo trên máy FANN 35 ở tốc độ 100 vòng/phút. Kết quả thí nghiệm được trình bày ở trong bảng 4.4. Bảng 4.4: Ảnh hưởng của nước đến quá trình phá gel Nồng độ Độ nhớt (cPs) Độ nhớt Nước chất phá Mẫu ban đầu 1 4 6 20 % gel (cPs) giờ giờ giờ giờ (g/lít) 0,00 Trắng 0 99 96 87 84 60 0,00 A 1,20 99 87 81 72 60 0,00 A 2,40 96 81 75 69 54 0,00 A 3,60 93 81 75 66 36 0,00 A 4,80 90 78 69 54 21 0,00 B 1,20 102 87 78 75 54 0,00 B 2,40 102 78 66 63 21 0,00 B 3,60 96 66 51 36 9 0,00 B 4,80 90 63 42 24 6 0,00 B 6,00 90 51 24 12 6 0,05 Trắng 0 102 96 90 84 63 0,05 A 1,20 90 75 69 66 39 0,05 A 2,40 84 72 60 42 18 0,05 A 3,60 84 63 36 15 6 0,05 A 4,80 84 60 24 9 6 0,05 B 1,20 90 81 63 57 36 0,05 B 2,40 87 66 48 24 9 0,05 B 3,60 81 48 18 6 6 0,05 B 4,80 57 36 9 6 6
-17- Nồng độ của chất tạo gel trong các thí nghiệm dao động từ 1,25 % đến 2,5%. Mẫu A: Hỗn hợp 20/80 (% khối lượng) của Ca(OH)2 và NaHCO3 Mẫu B: Hỗn hợp 60/40 (% khối lượng) của Ca(OH)2 và NaHCO3 Kết quả thí nghiệm ở bảng trên cho thấy: Khi không có nước, chất B phá gel ở nồng độ 3,6 g/l trong thời gian 20 giờ, ở nồng độ 4,8 g/l phá gel sau thời gian 6 giờ. Khi có 0,05 % nước trong chất lỏng NVTL chất phá gel A bắt đầu phá gel sau 6 giờ. Ở nồng độ 3,6 g/l. Chất phá gel B bắt đầu phá gel sau 20 giờ ở nồng độ 2,4 g/l. Ở nồng độ 3,6 g/l và 4,8 g/l, gel bị phá trong thời gian ngắn hơn từ sau 4 giờ. Chất phá gel B phá gel ở nồng độ 3,6 g/l và 4,8 g/l sau 20 giờ. Ở nồng độ lớn 6 g/l gel bị phá hủy sau thời gian sau 6 giờ. 4.5.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần Ca(OH)2 đến độ nhớt của gel hydrocacbon Bảng 4.5: Thí nghiệm phá gel của chất lỏng NVTL gốc dầu ở 1050C bằng hồn hợp Ca(OH)2 và NaHCO3 có các tỷ lệ khác nhau: B 60/40; C 30/70; D 50/50 Nồng độ Độ nhớt Sau Sau Sau Sau chất phá Mẫu ban đầu 2h 4h 6h 20h gel (cPs) (cPs) (cPs) (cPs) (cPs) (g/lít) 1 2 3 4 5 6 7 Mẫu trắng 0 72 84 75 72 60 Mẫu trắng 0 99 96 87 84 60 Mẫu C 1,20 96 78 75 72 60 Mẫu C 2,40 96 75 72 60 15 Mẫu C 3,60 90 72 57 33 6 Mẫu C 4,80 84 66 33 12 6 Mẫu B 1,20 63 78 75 69 30 Mẫu B 1,20 102 87 78 75 54 Mẫu B 2,40 60 75 57 33 6 Mẫu B 2,40 102 78 66 63 21 Mẫu B 3,60 60 60 30 6 6 Mẫu B 3,60 96 66 51 36 9
-18- 1 2 3 4 5 6 7 Mẫu B 4,80 84 39 6 6 6 Mẫu B 4,80 90 63 42 24 6 Mẫu B 6,00 90 51 24 12 6 Mẫu D 1,20 63 78 72 57 9 Mẫu D 2,40 60 72 36 9 6 Mẫu D 3,60 60 9 6 6 6 Mẫu D 4,80 84 6 6 6 6 Nồng độ chất tạo gel AlDo trong các thí nghiệm trên dao động từ 1,25 % đến 2,5 %. 4.5.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới khá năng phá gel Bảng 4.6: Thí nghiệm phá gel của chất phá gel B ở 720C Nồng độ chất Độ nhớt ban Độ nhớt (cPs) sau phá gel (g/l) đầu (cPs) 2 giờ 4 giờ 6 giờ 20 giờ 2,40 93 75 72 63 27 3,60 84 66 57 51 9 4,80 81 57 45 45 6 6,00 75 48 42 36 6 Nồng độ chất tạo gel AlDo trong các thí nghiệm trên là 1,25 %. Hình 4.3: Thay đổi độ nhớt của mẫu phá gel B ở 720C theo thời gian Bảng 4.7: Thí nghiệm phá gel của mẫu phá gel B ở 1050C