Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật khai thác dầu khí: Nghiên cứu ứng dụng giải pháp thu hồi dầu tam cấp bằng bơm ép co2 cho tầng móng nứt nẻ mỏ sư tử đen

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

Thêm vào BST

Báo xấu

113
lượt xem 26
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu ứng dụng giải pháp khai thác tam cấp bằng bơm ép CO2 theo cơ chế trộn lẫn cho đối tượng móng nứt nẻ mỏ Sư Tử Đen.

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 ứng dụng giải pháp thu hồi dầu tam cấp bằng bơm ép co2 cho tầng móng nứt nẻ mỏ sư tử đen

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT Nguyễn Hải An NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP THU HỒI DẦU TAM CẤP BẰNG BƠM ÉP CO2 CHO TẦNG MÓNG NỨT NẺ MỎ SƯ TỬ ĐEN Chuyên ngành: Kỹ thuật khai thác dầu khí Mã số: 62.53.50.05 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2012
Công trình được 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. Lê Xuân Lân 2. TS. Nguyễn Hữu Trung Phản biện 1: ……………………………………………… ……………………………………………………………. Phản biện 2 ……………………………………………… ………………………………………………………….. Phản biện 3: ……………………………………………… …………………………………………………………….. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm 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 Tính cấp thiết của đề tài Theo kế hoạch đã được phê duyệt, đối tượng móng granit nứt nẻ mỏ Sư Tử Đen đang trong giai đoạn khai thác thứ cấp và suy thoái sản lượng với hệ số thu hồi dầu hiện tại chỉ đạt khoảng 16,3%. Lượng dầu còn có thể khai thác chỉ còn 5,0% lượng dầu tại chỗ ban đầu với thời gian khai thác trên 10 năm. Trong khi đó, đối tượng móng granit nứt nẻ hang hốc bể Cửu Long nói chung và của mỏ Sư Tử Đen nói riêng, đang là đối tượng chính trong khai thác dầu của Việt nam với đặc tính thấm chứa rất phức tạp, mức độ bất đồng nhất cao và chưa dự báo được dòng chảy chất lưu trong từng điều kiện khai thác. Trên cơ sở các kết quả đánh giá khả năng áp dụng, khai thác dầu tam cấp bằng bơm ép CO2 trộn lẫn với dầu trong điều kiện vỉa là phương pháp có tiềm năng đối với đối tượng móng granit nứt nẻ mỏ Sư Tử Đen. Bơm ép CO2 với cơ chế trộn lẫn, theo hướng từ trên xuống, có khả năng vượt qua được những thách thức của thân dầu dạng khối của đối tượng móng có nhiệt độ cao (trên 120oC); mức độ bất đồng nhất cao về độ thấm. Ngoài ra phương pháp bơm ép CO2 có thể giải quyết đồng thời trong nâng cao hệ số thu hồi dầu và tàng trữ CO2 trong lòng đất nhằm bảo vệ môi trường. Mục đích nghiên cứu của luận án Nghiên cứu ứng dụng giải pháp khai thác tam cấp bằng bơm ép CO2 theo cơ chế trộn lẫn cho đối tượng móng nứt nẻ mỏ Sư Tử Đen. Nhiệm vụ của luận án Để đạt được mục đích đề ra, luận án cần giải quyết các nhiệm vụ: - Làm sáng tỏ mô hình dòng chảy của hệ thống chất lưu (dầu, khí và nước) trong quá trình khai thác vỉa. Trên cơ sở đó đưa ra sơ đồ thiết kế khai thác tam cấp cho đối tượng móng nứt nẻ mỏ Sư Tử Đen cũng như các mỏ khác trong bể Cửu Long.
2 - Khảo sát và hoàn thiện cơ chế trộn lẫn CO2 với dầu thô trong điều kiện thân dầu móng Sư Tử Đen. - Hoàn thiện mô hình đẩy dầu trên mẫu lõi granit nứt nẻ, đánh giá hiệu quả quét dầu và đẩy dầu trộn lẫn CO2. - Sơ bộ đánh giá hiệu quả (mang ý nghĩa định tính) khi ứng dụng bơm ép CO2 trộn lẫn trong khai thác tam cấp trên cơ sở mô hình mô phỏng khai thác cho thân dầu móng nứt nẻ mỏ Sư Tử Đen. Tổng quan các công trình đã nghiên cứu Áp dụng CO2 trộn lẫn cho vỉa chứa dầu nứt nẻ được áp dụng thực tế lần đầu tiên năm 1972 tại mỏ Sacroc (Hoa kỳ). Phương pháp bơm ép CO2 đã được đầu tư nghiên cứu phát triển và trở thành một trong những phương pháp khai thác tam cấp được sử dụng nhiều nhất hiện nay cho các mỏ ở nhiều nơi trên thế giới do có khả năng ứng dụng với hầu hết các loại dầu. Tuy vậy, hiện chưa có văn liệu nào viết về bơm ép CO2 cho đối tượng móng granit nứt nẻ như tại mỏ Sư Tử Đen. Hiện tại, thân dầu trong đá móng mỏ Sư Tử Đen đang ở cuối giai đoạn khai thác thứ cấp có áp dụng bơm ép nước duy trì áp suất vỉa, nhưng hệ số thu hồi dầu không cao và bơm ép nước được đánh giá là không hiệu quả. Các công trình nghiên cứu mới chỉ dừng ở tối ưu chế độ khai thác nhằm duy trì sản lượng, chưa có các nghiên cứu chuyên sâu về khai thác tam cấp cho móng nứt nẻ mỏ Sư Tử Đen. Các phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thư mục: tổng hợp cơ sở lý thuyết và công nghệ của phương pháp khai thác tam cấp bằng bơm ép CO2 theo cơ chế trộn lẫn. Phân tích đánh giá đặc tính thấm chứa của vỉa dầu trong móng granit nứt nẻ mỏ Sư Tử Đen. - Phương pháp thí nghiệm: xây dựng mô hình thí nghiệm đẩy dầu bằng CO2 trên mẫu tổ hợp granit nứt nẻ.
3 - Phương pháp mô phỏng số: xây dựng mô hình mô phỏng khai thác bằng phần mềm chuyên dụng và đánh giá hiệu quả (định tính) cho NCSHTHD. Điểm mới và ý nghĩa khoa học của luận án - Là công trình nghiên cứu ứng dụng cho đánh giá khai thác tam cấp đối tượng móng granit nứt nẻ từ đánh giá sơ bộ, khảo sát trong phòng thí nghiệm, cho tới mô phỏng khai thác. - Nghiên cứu đầy đủ cơ chế trộn lẫn CO2 với dầu mỏ Sư Tử Đen, xây dựng đặc trưng biến đối pha của dầu khi bơm ép CO2. - Đề xuất các cơ chế khai thác dầu trong móng granit trên cơ sở nghiên cứu đặc tính dòng chảy của chất lưu trong điều kiện vỉa. - Đề xuất mô hình mô phỏng hợp lý cho khai thác dầu trong đá móng granit nứt nẻ: Kết hợp mô hình đá chứa “hai độ rỗng” và mô hình mô phỏng thành phần dầu cho bơm ép khí trộn lẫn. - Thiết kế sơ đồ bơm ép CO2 từ trên xuống, tạo đới dầu ổn định phục vụ cho khai thác tam cấp đạt hiệu quả, đồng thời chôn vùi, tàng trữ CO2 bảo vệ môi trường. Các luận điểm bảo vệ của luận án Luận điểm 1: Đá chứa granit nứt nẻ mỏ Sư Tử Đen thuộc hệ thống hai độ rỗng với khả năng dẫn trong nứt nẻ và khả năng chứa trong vi nứt (Không có độ thấm trong đới vi nứt - hai độ rỗng không hoàn toàn). Cơ chế khai thác dầu trong đá móng granit nứt nẻ bao gồm: (i) giãn nở tự nhiên của dầu, khí và đá chứa; (ii) nước đẩy dầu trong hệ thống nứt nẻ; và (iii) lực mao dẫn trong hệ thống vi nứt. Luận điểm 2: Tại điều kiện trộn lẫn (từ 272 bar tại 127oC), CO2 có khả năng kích thích dầu từ đới vi nứt nẻ dịch chuyển tới hệ thống nứt nẻ lớn do tác động của hiện tượng trương nở của dầu. Luận điểm 3: Mô hình bơm ép CO2 cho khai thác tam cấp đối
4 tượng móng granit nứt nẻ mỏ Sư Tử Đen cần được thiết kế từ trên xuống nhằm tạo ra đới dầu ổn định cho các giai đoạn khai thác, hạn chế mức độ bất đồng nhất cao về độ thấm. Đồng thời việc bơm ép ngoài mục đích cải thiện hệ số thu hồi dầu còn được kết hợp với chôn vùi, tàng trữ CO2 bảo vệ môi trường. Tài liệu cơ sở của luận án Luận án đã được xây dựng trên cơ sở các tài liệu, các văn liệu nghiên cứu thiết kế và quản lý khai thác đối tượng móng granit nứt nẻ mỏ Sư Tử Đen của các tác giả. Các phân tích thí nghiệm cho mẫu lõi và chất lưu, các đề tài nghiên cứu khoa học về tối ưu khai thác tầng đá chứa móng nứt nẻ mỏ Sư Tử Đen nói riêng và của cả bể Cửu Long nói chung... do nghiên cứu sinh thực hiện và tham gia cùng với nhóm làm việc. Ngoài ra, các kết quả cũng đã được trình bày trong các tạp chí, các tuyển tập báo cáo khoa học của Ngành Dầu khí và các hội thảo Quốc tế về đá chứa móng granit nứt nẻ. Trong thời gian thực hiện luận án, tác giả đã được cử tham gia dự án nghiên cứu chung với công ty nước ngoài về đánh giá khả năng áp dụng bơm ép CO2 cho đối tượng cát kết Mioxen hạ mỏ Rạng Đông. Tác giả đã có điều kiện học hỏi và tích lũy kinh nghiệm từ các chuyên gia trong và ngoài nước nhằm có được những hướng nghiên cứu ứng dụng hợp lý cho khai thác dầu từ đối tượng móng granit nứt nẻ mỏ Sư Tử Đen. Khối lượng và cấu trúc của bản luận án Luận án gồm phần mở đầu, 5 chương nội dung nghiên cứu và phần kết luận, kiến nghị. Ngoài ra, luận án còn có danh mục các công trình công bố của tác giả và danh mục tài liệu tham khảo. Toàn bộ nội dung được trình bày trong 120 trang, trong đó có 13 biểu bảng và 87 đồ thị, hình vẽ.
5 Chương 1 TỔNG QUAN KỸ THUẬT NÂNG CAO HỆ SỐ THU HỒI DẦU 1.1. Tổng quan về nâng cao hệ số thu hồi dầu Nâng cao hệ số thu hồi dầu khí (NCHSTHD - EOR) là quá trình thu hồi dầu khí bằng cách bơm các tác nhân ngoại lai vào các vỉa sản phẩm với mục đích khai thác tối đa các sản phẩm hydrocacbon từ vỉa. Với đá móng nứt nẻ, lượng dầu bị bẫy lại sau bơm ép nước còn lớn và là tiềm năng đáng kể, tuy nhiên đây cũng là thử thách đối với bất kỳ một phương pháp NCHSTHD có khả năng xâm nhập vào vùng vi nứt và đẩy dầu ra vùng nứt nẻ lớn trước khi chảy vào khu vực ảnh hưởng của giếng khai thác. 1.2. Phân loại các biện pháp NCHSTHD Trong lĩnh vực NCHSTHD, công nghệ và kỹ thuật được nghiên cứu áp dụng nhằm đạt HSTH dầu cao theo công thức: S oi  S or HSTHD = ( Ev  Ea )  (1.1) S oi Để thực hiện, các phương pháp thực hiện với nhiệm vụ: a) Tăng hiệu quả quét theo diện (Ea) và theo chiều sâu (Ev) của chất lưu bơm ép đối với lượng dầu còn nằm lại trong vỉa chứa. b) Tăng hiệu suất đẩy dầu, làm giảm hoặc khử lực mao dẫn (giảm dầu tàn dư Sor). c) Kết hợp tăng hiệu suất quét và đẩy dầu. Nếu xét theo quy trình thực hiện và tác nhân bơm ép, một cách quy ước, tất cả các biện pháp NCHSTHD có thể được chia thành 3 nhóm chủ yếu: Nhóm phương pháp nhiệt, nhóm phương pháp hóa học và nhóm phương pháp khí trộn lẫn (dung môi). Nhóm phương pháp nhiệt được sử dụng rộng rãi trong khai thác dầu nặng trong khi hai nhóm
6 phương pháp hóa và khí trộn lẫn được áp dụng chủ yếu trong nâng cao thu hồi các loại dầu nhẹ hơn. Các phương pháp NCHSTHD đòi hỏi một khoản chi phí đầu tư ban đầu rất lớn, đồng thời phải kiểm soát chặt chẽ quá trình áp dụng. Trong khi đó, lượng dầu khai thác tăng thêm lại không lớn và thường kéo dài. Ở Việt Nam, với khả năng tiếp cận và áp dụng công nghệ mới trên thế giới đã mở ra những tiềm năng, thách thức cho các lĩnh vực khai thác và NCHSTHD, đặc biệt là ứng dụng phương pháp bơm ép CO2 cho đối tượng móng granit nứt nẻ bể Cửu Long. 1.2.1. Nhóm các phương pháp nhiệt 1.2.1.1. Phương pháp bơm ép hơi nước Nhiệt năng có tác dụng làm giảm độ nhớt và dẫn tới làm tăng độ linh động của dầu vỉa. Mô hình cơ bản được áp dụng: bơm ép hơi nước liên tục nhằm đẩy dầu tới giếng khai thác. 1.2.1.2. Phương pháp bơm ép hơi nước theo chu kỳ Được thực hiện chỉ trong cùng một giếng khoan và bao gồm các giai đoạn: bơm ép nhiệt vào giếng đang khai thác với thời gian 2 tới 6 tuần; đóng giếng và ngâm trong thời gian 3 tới 6 ngày; và sau đó đưa giếng khai thác trở lại trong thời gian vài tháng với sản lượng cao hơn nhiều so với bơm ép nước hoặc dãn áp tự nhiên. 1.2.1.3. Phương pháp đốt nhiệt tại chỗ Quá trình đốt nhiệt tại chỗ là sự di chuyển chậm của đới đốt cháy từ giếng bơm ép cho tới một hoặc nhiều giếng khai thác. Nhiệt độ cao làm giảm độ nhớt, đồng thời làm tăng tính linh động của dầu; Hệ số quét tăng lên đồng thời làm giảm độ bão hòa dầu; Hóa hơi hoặc tạo khí các chất lưu trong vỉa;
7 1.2.2. Nhóm các phương pháp hóa học Quá trình bơm vào vỉa chứa một hệ hóa học như polymer; hoạt tính bề mặt, dung dịch kiềm..., với mục tiêu gia tăng thu hồi dầu từ các hiệu ứng: (i) làm giảm độ linh động của pha đẩy; hoặc (ii) làm giảm sức căng bề mặt giữa 2 pha: dầu và nước. 1.2.2.1. Bơm ép polymer Pha một lượng nhỏ polymer vào nước bơm ép nhằm làm tăng độ nhớt của nước dẫn tới giảm độ linh động của pha đẩy dầu trong vỉa. Khi tỷ số độ linh động giảm xuống sẽ làm tăng hiệu quả đẩy quét theo cả diện và chiều thẳng đứng. 1.2.2.2. Bơm ép chất hoạt tính bề mặt Các chất hoạt tính bề mặt là thành phần chủ yếu của dung dịch bơm ép có khả năng giảm đáng kể sức căng bề mặt giữa 2 pha dầu và nước (giá trị nhỏ hơn 10E-3 dyn/cm). Ngay phía sau của nút dung dịch HTBM, nút dung dịch đệm được sử dụng để điều chỉnh hệ số độ linh động. Thể tích của nút dung dịch đệm thường rất lớn, nên có thể sử dụng polymer với nồng độ giảm dần theo thể tích cho đến lượng bơm ép cuối cùng là nước kỹ thuật. 1.2.3. Nhóm phương pháp khí trộn lẫn Cơ chế thu hồi thêm dầu của bơm ép trộn lẫn bao gồm: hòa tan, làm dầu bay hơi hoặc ngưng tụ… dẫn tới làm giảm độ nhớt dầu; làm trương nở dầu; đặc biệt là khả năng chiết xuất các thành phần trung bình và nặng ở trong dầu tàn dư. 1.2.3.1. Phương pháp bơm ép khí trộn lẫn Quá trình bơm ép khí trộn lẫn với thể tích khí nhất định được bơm vào vỉa và tạo ra đới trộn lẫn cũng như đới dầu được dồn về phía giếng khai thác. Đới trộn lẫn tiếp tục phát triển và tạo thành đới dầu. Khí tiếp tục được bơm vào và trộn lẫn dầu tàn dư, đồng thời dồn đẩy
8 làm cho đới dầu có thể tích tăng dần lên. Do tính liên tục của quá trình trộn lẫn, dầu tàn dư có thể được khai thác với hiệu suất rất cao. 1.2.3.2. Tiêu chí đánh giá lựa chọn Nhìn chung phương pháp bơm ép khí trộn lẫn rất thích hợp cho dầu nhẹ có độ nhớt thấp (nhỏ hơn 3,0cP) và đã được áp dụng thực tế cho rất nhiều loại vỉa chứa, từ phẳng và mỏng cho tới nghiêng và dầy. 1.3. Sơ bộ đánh giá và lựa chọn phương pháp NCHSTHD Nhiệt độ trung bình tầng móng mỏ Sư Tử Đen vào khoảng 128oC. Ngoài ra, do có độ dày vỉa chứa lớn, khoảng 1000m dẫn tới chênh lệch về áp suất, nhiệt độ và bất đồng nhất về đặc tính thấm chứa cũng rất cao. Dựa vào bảng chỉ dẫn áp dụng kỹ thuật cho thấy các phương pháp bơm ép hóa chất có khả năng thành công rất thấp, chủ yếu là do yếu tố nhiệt độ (thường phải thấp hơn 105oC). Kinh nghiệm thế giới cho thấy phương pháp bơm ép khí là thích hợp để áp dụng nhất đối với điều kiện vỉa chứa móng granit nứt nẻ mặc dù còn khó khăn và hạn chế do chiều dày thân dầu lớn và bất đồng nhất về độ thấm. Chương 2 KỸ THUẬT NÂNG CAO HỆ SỐ THU HỒI DẦU THEO GIẢI PHÁP BƠM ÉP CO2 2.1. Toàn cảnh các dự án ứng dụng bơm ép CO2 trên thế giới và Việt Nam nhằm nâng cao hệ số thu hồi dầu Trong những năm 1950, ngành công nghiệp khai thác dầu khí bắt đầu quan tâm nhiều hơn trong việc nghiên cứu bơm ép trộn lẫn. Hiện có khoảng 78 dự án CO2 đang hoạt động trên toàn thế giới, 68 dự án tại Mỹ, 2 tại Canada, 2 tại Thổ Nhĩ Kỳ, 5 tại Trinidad và 1 tại Brazil. Cho đến nay đã có tổng cộng hơn 100 dự án nâng cao thu hồi dầu bằng bơm ép CO2 trộn lẫn.
9 2.1.1. Khu vực mỏ Sacroc bể Permian Khu vực mỏ Sacroc trong bể Permian là khu vực đầu tiên áp dụng bơm ép CO2 trên thế giới (1972). Khu vực có diện tích 205 km2, nằm ở phần phía đông của bể, và thuộc miền Tây Texas. Bơm ép không trộn lẫn CO2 đã được tiến hành năm 1972, sau 24 năm thì chuyển sang giai đoạn khai thác tam cấp với việc bơm ép trộn lẫn CO2, và vẫn được duy trì cho đến ngày nay. Tổng lượng CO2 bơm ép vào vỉa khoảng 30 tỷ m3 và đã đóng góp tới 11 triệu m3 dầu thu hồi tăng cường. 2.1.2. Mỏ Weyburn-Canada Chương trình bơm ép CO2 tại Weyburn được áp dụng bơm ép theo phương ngang lớn nhất thế giới, thực hiện trong đối tượng Carbonat nứt nẻ có chiều dày 30m tại độ sâu 1400m. Đã có khoảng 1000 giếng, trong đó là 137 giếng khoan ngang và 284 thân giếng đứng được sử dụng để thu hồi 24% trữ lượng dầu tại chỗ ban đầu. Công ty Pan Canadian đã công bố vào năm 1997 rằng họ sẽ phát triển một dự án EOR để kéo dài thời gian khai thác của mỏ lên trên 25 năm. Dự án sẽ bao gồm đến việc bơm ép trộn lẫn CO2, qua đó dự kiến sẽ thu hồi thêm 19,4 triệu m3 dầu. Nguồn CO2 cho dự án sẽ lấy từ nhà máy Great Plains ở Beulah, Bắc Dakota. Dự án CO2 được bắt đầu vào tháng 9 năm 2000. Đến năm 2001 cho dòng dầu đầu tiên thu được từ bơm ép CO2. 2.1.3. Dự án nghiên cứu chung bơm ép CO2 trộn lẫn cho đối tượng Mioxen hạ mỏ Rạng Đông Kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và mô phỏng bơm ép CO2 trên toàn bộ diện tích mỏ cho thấy phương pháp này rất có tiềm năng khi bơm ép CO2 và nước luân phiên với lượng dầu gia tăng tới 32 triệu thùng, tương ứng với hệ số thu hồi dầu tăng thêm 8% so với
10 lượng dầu tại chỗ. Nguồn CO2 dự kiến thu hồi từ tổ hợp tách CO2 khỏi khí đồng hành cụm mỏ PM3-CAA. Trong thời gian cuối tháng 5 tới đầu tháng 6 năm 2011, các bên tham gia nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm quy mô nhỏ tại mỏ nhằm kiểm chứng và đánh giá các kết quả của công tác nghiên cứu. Theo đó, phương pháp bơm ép CO2 tại giếng khai thác (bơm CO2 trộn lẫn - ngâm - khai thác dầu và CO2) đã được thực hiện. 2.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp Phương pháp bơm ép khí trộn lẫn đã được chứng minh là hoàn toàn phù hợp với tất cả các loại dầu mỏ: từ dầu nhẹ, condensat cho tới dầu nặng. Việc kết hợp NCHSTHD và chôn vùi tàng trữ CO2 vào đối tượng móng granit nứt nẻ đã được đưa ra giới thiệu trong thời gian gần đây, trong khi các mỏ khí tự nhiên của Việt nam dự định đưa vào khai thác đều có hàm lượng CO2 từ 20% tới trên 80%. 2.2.1. Đặc trưng hóa-lý của Dioxit cacbon (CO2) Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thường, dioxit cacbon ở thể khí. Trạng thái vật lý của dioxit cacbon biến đổi theo điều kiện nhiệt độ và áp suất. Tại điều kiện nhiệt độ thấp, CO2 ở thể rắn và có thể thăng hoa trực tiếp sang thể hơi. CO2 có thể chuyển từ trạng thái hơi sang trạng thái lỏng khi bị nén tới áp suất hóa lỏng tương ứng với sự giảm nhiệt độ trong khoảng tới hạn. Tại khoảng nhiệt độ trên 31,1oC (nếu áp suất lớn hơn điểm tới hạn, 73,9 bar), CO2 có đặc tính như của chất khí và được cho là ở trạng thái siêu tới hạn. Điều kiện áp suất cao, tỷ trọng của CO2 có thể thay đổi trong khoảng rất rộng và có thể đạt tới xấp xỉ tỷ trọng của dầu. CO2 được đặc biệt quan tâm trong nâng cao hệ số thu hồi dầu do có tính chất lưu biến quan trọng và mức độ hòa tan của CO2 vào nước .
11 2.2.2. Cơ chế trộn lẫn CO2 vào dầu vỉa Khi bơm ép CO2 vào vỉa, hỗn hợp được tạo ra có thể là một pha hydrocarbon duy nhất hoặc ở trạng thái hai pha dầu, khí riêng biệt. Trong trường hợp áp suất đủ lớn, hỗn hợp CO2 và dầu có trạng thái một pha, quá trình bơm ép khí được gọi là bơm ép trộn lẫn. Mối tương quan các trạng thái pha có thể được biểu diễn trên biểu đồ tam giác đồng thời với thành phần của hỗn hợp. Trên cơ sở biểu đồ tam giác đã xây dựng, nồng độ của 2 hợp phần dễ dàng được xác định cho bất kỳ điểm nào. Sự trộn lẫn có được là do chuyển giao khối lượng của các thành phần trong hỗn hợp, sinh ra từ các điểm tiếp xúc giữa dầu và CO2 bơm ép vào vỉa. Cơ chế trộn lẫn giữa CO2 và dầu vỉa mang đặc điểm chính của cơ chế khí bay hơi. Bằng việc sử dụng CO2 thì các phân tử có khối lượng mol cao có thể được tách ra. Cơ chế khí bay hơi là một trường hợp riêng của cơ chế trộn lẫn tiếp xúc nhiều lần và dựa trên sự bay hơi của các thành phần trung bình trong dầu vỉa. Khi vùng chuyển tiếp trộn lẫn được tạo ra, các thành phần C2 - C6 được CO2 tách ra do áp suất bơm ép cao (CO2 có thể chiết tách được đến thành phần C30) và pha khí lúc này trở nên giàu thành phần trung bình hơn đồng thời tiếp tục di chuyển vào trong vỉa. Quá trình trộn lẫn khí bay hơi có thể gần như thay thế toàn bộ dầu trong vùng mà nó tiếp xúc. Tuy nhiên hệ số tiếp xúc có thể thấp do tính bất đồng nhất của vỉa và các điều kiện chảy khác nhau. 2.3. Những vấn đề còn tồn tại trong bơm ép CO2 Một trong những vấn đề chính trong khi áp dụng CO2 chính là độ linh động cao của nó. Đặc biệt đối với thân dầu trong móng với chiều dày lớn và các đới nứt nẻ bất đồng nhất về độ thấm.
12 Ngoài ra vấn đề nguồn CO2 cũng là một vấn đề rất đáng lưu ý, đi kèm với nó là đầu tư hệ thống cơ sở hạ tầng rất lớn. Chính những điều này đã làm tăng chi phí đầu tư của dự án, dẫn đến những giới hạn về mặt kinh tế. Chương 3 TÍNH CHẤT DI DƯỠNG CỦA ĐÁ CHỨA VÀ HÓA LÝ CHẤT LƯU TRONG ĐỐI TƯỢNG MÓNG MỎ SƯ TỬ ĐEN 3.1. Tổng quan địa chất đối tượng móng nứt nẻ mỏ Sư Tử Đen 3.1.1. Kiến tạo Mỏ dầu Sư Tử Đen nằm tại phần phía Đông Bắc của bể Cửu Long, với các hoạt động kiến tạo xảy ra mạnh mẽ vào cuối Oligoxen muộn - Mioxen sớm tạo nên những đới phá hủy kiến tạo có phương Tây Bắc - Đông Nam và được xem là đối tượng thấm chứa chính trong đá chứa móng granit nứt nẻ. 3.1.2. Thạch học Các nứt nẻ cổ thường bị lấp đầy bởi khoáng vật thứ sinh, đặc biệt là zeolit với hàm lượng cao và làm ảnh hưởng tới khả năng cho dòng của các giếng khai thác do độ mở của nứt nẻ bị giảm đi đáng kể. 3.2. Tính chất di dưỡng Kết quả nghiên cứu phòng thí nghiệm cho thấy cấu trúc lỗ rỗng của mẫu lõi đá granit mỏ STĐ khá phức tạp với độ rỗng thứ sinh dao động trong khoảng từ 0,35% - 1,5%, gồm 2 dạng: vi khe nứt (độ mở 0,05 – 0,2 mm) và nứt nẻ lớn (độ mở 0,25 – 1,5mm). Theo kết quả minh giải địa vật lý giếng khoan, độ thấm của các đới nứt nẻ biến thiên trong khoảng rộng (tới vài Darcy) và không có mối quan hệ rõ ràng với độ rỗng. Tại các khoảng cho dòng, các nứt nẻ có độ mở trên 1mm và mật độ tới 5 nứt nẻ/mét theo thân giếng khoan.
13 3.3. Đặc điểm thủy động và quá trình thu hồi dầu từ các nứt nẻ 3.3.1. Đường cong áp suất mao dẫn Kết quả phân tích mẫu lõi cho thấy phần không gian rỗng của đới nứt nẻ lớn chỉ chiếm tỷ phần trung bình là 23,1% so với độ rỗng tổng cộng của mẫu. Đặc điểm cấu trúc không gian rỗng còn được đặc trưng bởi tính dính ướt của dầu với khe nứt và các đới vi nứt nẻ. 3.3.2. Đẩy dầu trong mẫu lõi đá móng granit nứt nẻ Động thái đường cong đẩy dầu bởi nước cho thấy đối với đá móng nứt nẻ mỏ Sư Tử Đen có sự khác biệt lớn so với môi trường chỉ có nứt nẻ lớn bởi tỷ phần đẩy dầu chiếm phần lớn từ nứt nẻ lớn và đóng góp phần nhỏ cho thu hồi dầu từ các vi nứt do lực mao dẫn. 3.3.3. Phân tích động thái khai thác dầu và nước trong giếng Các giếng khai thác từ móng Sư Tử Đen thường có sản lượng dầu ban đầu rất cao nhiều giếng đã làm việc với lưu lượng 2.000 m3/ngày. Kết quả khảo sát quá trình khoan và khai thác giếng cho thấy các giếng có nhiều đới nứt nẻ sẽ có thời gian khai thác lẫn nước dài hơn so với các giếng chỉ có 1 đến 2 đới nứt nẻ. Kể cả các giếng có nhiều đới cho dòng, một khi các đới nứt nẻ chủ đạo bị ngập nước, gần như ngay lập tức sản lượng dầu của giếng bị giảm và dừng khai thác. 3.3.4. Cơ chế khai thác dầu trong đối tượng móng nứt nẻ Đặc trưng chính của đá móng là độ thấm của hệ thống nứt nẻ lớn chiếm ưu thế hơn nhiều so với hệ thống vi nứt nẻ, nơi chứa dầu chủ yếu trong đá móng. Ngoài ra, dầu còn được đẩy ra khỏi các đới vi nứt nẻ do tác động của lực mao dẫn, giãn nở của dầu khí và độ nén của cấu trúc không gian rỗng. Trong trường hợp có nước bên ngoài hỗ trợ mạnh như móng mỏ Sư Tử Đen, quá trình giãn áp tự nhiên và cơ chế đẩy dầu ra khỏi các đới vi nứt nẻ phụ thuộc nhiều vào mạng lưới giếng và chế độ khai thác
14 dầu. Do có độ thấm rất lớn nhưng thể tích nhỏ, không gian rỗng của hệ thống nứt nẻ lớn nhanh chóng được nước chiếm chỗ và đẩy dầu lên phía trên tới giếng khai thác, đồng thời làm ngập các đới vi nứt nẻ chứa dầu bị bẫy lại. 3.3.5. Đánh giá nhận xét Thực tế khai thác cũng như thí nghiệm đều cho thấy bơm ép nước vào phần đáy thân dầu hoặc thí nghiệm bơm đẩy dầu từ dưới lên trên sẽ có thời gian khai thác không có nước lâu hơn, đồng thời lượng dầu thu hồi cao hơn so với bơm ép theo phương ngang. Quá trình đẩy dầu bởi nước còn chịu ảnh hưởng rất lớn của trọng lực do phân dị tỷ trọng của chất lưu trong hệ thống thủy động học. 3.4. Đặc tính dầu vỉa móng Sư Tử Đen 3.4.1. Kết quả phân tích mẫu dầu Các mẫu dầu móng Sư Tử Đen đều được tiến hành phân tích trong phòng thí nghiệm của Viện Dầu khí Việt Nam trong điều kiện tương tự nhau và đưa kết quả phân tích có chất lượng cao. Áp suất điểm bọt được xác định trong khoảng 88bar tới 101bar, hoàn toàn phù hợp với tỷ trọng của dầu với giá trị 35 tới 36oAPI. Số liệu phân tích thành phần của dầu vỉa cho thấy thành phần nặng mức C7+ chiếm trên một nửa, thành phần nhẹ chiếm chưa tới 50%, trong đó mêtan chiếm từ 20% tới 25% mol. Tính chất thành phần nặng tương đối đồng nhất, tuy nhiên mẫu SD-A3 có thành phần C7+ thấp hơn cả, nhưng mức độ không nhiều. 3.4.2. Giản đồ pha đặc trưng của dầu móng Biểu đồ hành trạng pha của các mẫu dầu được tạo ra nhằm đánh giá mức độ thay đổi pha trong điều kiện vỉa và trong quá trình khai thác dầu khi áp suất và nhiệt độ đều giảm. Các biểu đồ pha cho thấy các mẫu dầu đều mang đặc trưng của dầu vỉa bão hòa khí.
15 Chương 4 NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM BƠM ÉP CO2 VÀO MÓNG NỨT NẺ MỎ SƯ TỬ ĐEN 4.1 Các điều kiện mô hình vật lý cho thí nghiệm 4.1.1. Khảo sát áp suất trộn lẫn nhỏ nhất (MMP) Trên cơ sở kết quả đánh giá và mô hình hóa chất lưu bằng các phần mềm máy tính, các công tác đo đạc và khảo sát giá trị áp suất trộn lẫn của CO2 vào dầu mỏ Sư Tử Đen đã được thực hiện trên máy thí nghiệm MISCIBILITY - Pháp. Kết quả cho thấy giá trị áp suất trộn lẫn được đánh giá khoảng 270bar, thấp hơn so với giá trị mô phỏng bằng máy tính 272bar. Tại điều kiện trộn lẫn, dầu thu hồi đạt trên 90%, độ nhớt 0,02cP, sức căng bề mặt đạt giá trị 0,01mN/m. 4.1.2. Khảo sát cơ chế trộn lẫn CO2 và dầu vỉa Sư Tử Đen Tại nhiệt độ trung bình của móng Sư Tử Đen (128oC), đặc tính pha của hỗn hợp sẽ thay đổi theo điều kiện áp suất và hàm lượng CO2 bơm thêm vào. Hai thành phần của hỗn hợp dầu-CO2 cùng ở thể lỏng và có những tác động với nhau ngay cả khi chưa đạt tới áp suất trộn lẫn nhỏ nhất. Cơ chế làm bay hơi các thành phần nhẹ của dầu liên tục diễn ra do tiếp xúc của CO2 với dầu và tạo ra vùng hỗn hợp. 4.1.3. Mẫu lõi đá granit nứt nẻ mỏ Sư Tử Đen Mẫu lõi sử dụng trong thí nghiệm bao gồm 4 mẫu đơn với chiều dài tổng cộng 28,99cm. Các mẫu trụ đơn có độ rỗng từ 2,8% tới 7,2%, mang tính đại diện cho các khoảng nứt nẻ khác nhau của đối tượng móng. Giá trị độ thấm tuyệt đối 964mD được đo trực tiếp với 2 cấp lưu lượng bơm: 6cm3/giờ và 3,5cm3/giờ. 4.1.4. Mẫu nước vỉa cho bơm ép Nước vỉa được pha chế để có tính chất cơ bản: tổng hàm lượng muối 23.000ppm; Trọng lượng riêng: 1,013 G/cm3; Độ nhớt 1,5cP.
16 4.1.5. Mẫu dầu cho bơm ép Dầu móng mỏ STĐ được dùng để bơm ép có tỷ trọng 0,873 g/cm3 tương đương với 35,5o API; và độ nhớt 1,05 cP đo trong điều kiện vỉa. 4.1.6. Chuẩn bị mẫu Mẫu lõi được gia công và tạo bão hòa nước muối. Chất lưu (dầu và nước) được lọc qua bộ lọc với các lỗ có đường kính 30 µm. Tạo bão hòa dầu ban đầu: Dầu được bơm vào mẫu theo hướng từ trên xuống với lưu lượng ban đầu 3,5cm3/giờ, xác định sơ bộ độ thấm. Phục hồi tính dính ướt: ngâm mẫu 4 tuần trong dầu tại 128oC. 4.1.7. Lắp đặt mẫu Toàn bộ tổ hợp 4 mẫu được lắp đặt trong ống cao su chịu nhiệt và chịu áp suất trong buồng giữ mẫu theo phương thẳng đứng. Mẫu tổ hợp được xây dựng với các nguyên tắc: (i) các mẫu có độ thấm và độ rỗng tăng dần theo hướng từ dưới lên trên; (ii) các nứt nẻ có xu thế tạo dòng chảy liên tục cho chất lưu theo chiều thẳng đứng. 4.1.8. Thiết bị thí nghiệm RELATIVE PERMEABILITY ( Cộng hòa Pháp) Thiết bị bao gồm buồng giữ mẫu cho phép bơm được từ 2 đầu khác nhau của mẫu; Buồng giữ mẫu và các bình chứa chất lưu được đặt trong lò ổn nhiệt bằng khí nóng. Ngoài ra, các cảm biến đo áp suất, nhiệt độ, chênh áp... được lắp đặt tại nhiều vị trí khác nhau để đo lường và lưu trữ số liệu phục vụ cho tính toán và phân tích. 4.2. Thử nghiệm khả năng bơm ép CO2 trên mẫu lõi 4.2.1. Mô hình thử nghiệm khả năng bơm ép CO2 trên mẫu lõi Thử nghiệm bơm ép CO2 trên mẫu lõi đá móng granit nứt nẻ được thực hiện với 2 lưu lượng bơm ép chất lưu: 3,5cm3/giờ và 6cm3/giờ. Tổ hợp mẫu được thiết lập theo chiều thẳng đứng, nước đẩy dầu từ
17 phía dưới hướng lên trên và CO2 được thiết kế bơm liên tục theo hướng từ trên xuống . Trong suốt quá trình khảo sát, buồng giữ mẫu được thiết lập điều kiện đo đạc với áp suất đối áp 283bar, áp suất nén hông 410bar, nhiệt độ cả hệ thống thiết lập ổn định tại 128oC. Thời gian nâng nhiệt và ổn định phải dài ít nhất 6 tiếng. 4.2.2. Kết quả thí nghiệm và đánh giá Với cấp lưu lượng bơm ép 6cc/giờ, nước bắt đầu xuất hiện khi mới bơm ép được 10,6%PV, nhanh hơn so với 14,7% PV khi bơm nước với lưu lượng 3,5cm3/giờ. Trong cả 2 lần thử, lượng nước ở đầu ra tăng lên rất nhanh cùng với sự giảm mạnh lưu lượng dầu ngay sau khi nước xuất hiện. Khác biệt rất lớn về độ thấm giữa các đới vi nứt và nứt nẻ lớn đã gây ra hiện tượng quét kém hiệu quả của nước bơm ép và chứng tỏ dầu còn được đẩy ra khỏi đới vi nứt bởi lực mao dẫn. Trong quá trình bơm ép CO2, ban đầu chỉ có nước được khai thác cho đến khi CO2 xuất hiện ở đầu ra của mẫu, ngay sau đó dầu mới chảy ra khỏi mẫu. Như vậy, nước đang ở trong hệ thống nứt nẻ đã đóng vai trò hạn chế tính linh động của CO2 và làm giảm thời gian di chuyển của CO2 trong mẫu. Đồng thời, để có thể tiếp xúc và trộn lẫn với lượng dầu còn bị bẫy lại trong vi nứt, CO2 đã hòa tan vào trong nước (bơm ép) và đẩy lượng nước này ra khỏi mẫu. Lượng CO2 ở phía sau còn có tác dụng dồn dầu thành đới chuyển động dần xuống phía dưới. Hệ số thu hồi dầu tăng thêm do bơm ép CO2 rất hiệu quả với các con số 9,5% tới 14,7% đối với đá móng granit nứt nẻ. 4.3. Cơ chế bơm ép CO2 trong đối tượng móng nứt nẻ mỏ STĐ Do đặc thù của thân dầu trong móng granit nứt nẻ có nhiệt độ cao, chiều dày lớn và môi trường 2 độ rỗng không hoàn toàn, nên phương
18 pháp bơm ép CO2 trộn lẫn có ưu thế hơn cả. Trên quan điểm đẩy dầu, CO2 là chất lưu lý tưởng với các cơ chế sau: - Dễ dàng áp dụng sơ đồ bơm ép từ nóc thân dầu với cơ chế vận động của lực trọng trường. CO2 ở thể lỏng nhưng nhẹ hơn dầu nên sẽ chiếm chỗ và đẩy dầu, nước trong các đới nứt nẻ. - Hòa trộn từng phần (trộn lẫn với cơ chế tiếp xúc nhiều lần) tạo thành một pha với dầu trong vỉa (cả phần vi nứt và nứt nẻ lớn). Làm thay đổi tính chất vật lý của dầu như: giảm sức căng bề mặt, giảm độ nhớt, làm trương nở dầu; hoặc thay đổi tương tác dầu với đá chứa như: thay đổi tính dính ướt, tăng bão hòa dầu trong thể tích rỗng, tăng độ thấm tương đối của pha dầu. Chương 5 THIẾT LẬP MÔ HÌNH VỈA VÀ KHAI THÁC MÓNG MỎ SƯ TỬ ĐEN Phần mềm Eclipse-E300 được sử dụng với công cụ mô phỏng thành phần dầu vỉa tương tác với CO2 và mô phỏng đặc tính hai độ rỗng không hoàn toàn, áp dụng cho đá chứa granit nứt nẻ Sư Tử Đen. 5.1. Các tham số đặc tính mỏ 5.1.1. Mô hình đá chứa Mô hình phân bố độ rỗng của cả đối tượng móng Sư Tử Đen được xây dựng trên cơ sở mức độ phá hủy đá xung quanh các đứt gãy nhận biết được bằng các tín hiệu sóng địa chấn (còn gọi là phương pháp Halo) có kết hợp với tính chất cơ lý, thạch học của đá granit. 5.1.2. Tương tác đá chứa-chất lưu Từ số liệu phân tích áp suất mao dẫn và đẩy dầu đo đạc khi bơm ép đồng thời dầu và nước vào mẫu lõi được lấy từ thân dầu móng Sư Tử Đen và các mỏ lân cận, giá trị bão hòa nước ban đầu Swi = 15% và bão hòa dầu tàn dư Sor = 35-40% được sử dụng trong mô hình.