Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh khai thác dầu khí hiện đại, giếng khoan ngang đã trở thành giải pháp kỹ thuật quan trọng nhằm tăng hiệu quả khai thác, đặc biệt trong các mỏ dầu khí có cấu trúc phức tạp như mỏ Hà Mã Trắng (HMT) thuộc lô 15-01, bể Cửu Long, Việt Nam. Theo báo cáo ngành, mỏ HMT có trữ lượng dầu khí lớn với cấu trúc địa chất phức tạp gồm tầng móng nứt nẻ và tầng trầm tích Oligocene, trong đó tầng móng là mục tiêu khai thác chính. Giếng khoan ngang giúp tăng diện tích tiếp xúc với các khe nứt, từ đó nâng cao năng suất khai thác so với giếng khoan thẳng đứng truyền thống. Tuy nhiên, một thách thức lớn là tổn hao áp suất do ma sát trong thân giếng khoan ngang, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất khai thác và lợi nhuận kinh tế.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá tổn hao áp suất do ma sát trong thiết kế giếng khoan ngang tại mỏ HMT, từ đó đề xuất giải pháp giảm thiểu tổn hao áp suất nhằm tối ưu hóa hiệu quả khai thác và lợi nhuận kinh tế. Nghiên cứu tập trung vào phân tích dữ liệu khai thác thực tế của 8 giếng khoan tầng móng, xây dựng mô hình thủy lực tích hợp tổn hao áp suất ma sát, và đề xuất thiết kế giếng khoan ngang tối ưu với chiều dài thân giếng và đường kính ống khai thác phù hợp. Thời gian nghiên cứu từ tháng 02 đến tháng 06 năm 2020, phạm vi nghiên cứu tại mỏ HMT, bể Cửu Long, Việt Nam.

Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế giếng khoan ngang hiệu quả, giảm tổn hao áp suất ma sát đến mức tối thiểu, từ đó tăng sản lượng khai thác thêm khoảng 5 triệu thùng dầu so với giếng thẳng đứng (2,4 triệu thùng), đồng thời nâng cao giá trị hiện tại ròng (NPV) của dự án lên đến 40 triệu USD khi khai thác tối ưu các khe nứt trong thân giếng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy lực dòng chảy trong giếng khoan ngang, bao gồm:

  • Lý thuyết dòng chảy ổn định trong giếng khoan ngang: Phân tích sự phân bố áp suất và vận tốc dòng chảy trong thân giếng, đặc biệt là ảnh hưởng của ma sát lên tổn hao áp suất dọc theo chiều dài giếng.

  • Mô hình thủy lực Local Grid Refinement (LGR): Mô hình này cho phép mô phỏng chi tiết tổn hao áp suất do ma sát trong giếng khoan ngang với độ phân giải cao, giúp đánh giá chính xác sự phân bố áp suất và hiệu suất khai thác từng đoạn thân giếng.

  • Khái niệm tổn hao áp suất do ma sát (Friction Pressure Loss): Là sự giảm áp suất trong dòng chảy do lực ma sát giữa dòng chất lưu và thành ống, ảnh hưởng trực tiếp đến áp suất đáy giếng và khả năng khai thác các khe nứt ở phần cuối thân giếng.

  • Khái niệm hiệu suất khai thác (Productivity Index - PI): Đánh giá khả năng khai thác của giếng dựa trên tỷ lệ sản lượng trên áp suất chênh lệch.

  • Khái niệm giá trị hiện tại ròng (Net Present Value - NPV): Đánh giá hiệu quả kinh tế của thiết kế giếng khoan ngang dựa trên dòng tiền thu được trong suốt vòng đời khai thác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ 8 giếng khoan khai thác tầng móng mỏ HMT, bao gồm dữ liệu áp suất, lưu lượng, phân tích PVT, PLT, DST và MDT. Dữ liệu này được tổng hợp và phân tích để xây dựng mô hình thủy lực chi tiết.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xây dựng mô hình thủy lực 3D tích hợp tổn hao áp suất do ma sát sử dụng phần mềm mô phỏng khai thác chuyên dụng, kết hợp mô hình LGR để tăng độ chính xác.

  • Phân tích so sánh hiệu suất khai thác giữa giếng khoan ngang và giếng thẳng đứng dựa trên các chỉ số PI và sản lượng thực tế.

  • Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như đường kính ống khai thác, chiều dài thân giếng đến tổn hao áp suất và hiệu suất khai thác.

  • Phân tích kinh tế dựa trên NPV với các kịch bản thiết kế giếng khoan khác nhau nhằm xác định thiết kế tối ưu.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 02 đến tháng 06 năm 2020, với cỡ mẫu 8 giếng khoan tầng móng, lựa chọn dựa trên tính đại diện và độ tin cậy của dữ liệu khai thác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổn hao áp suất do ma sát trong giếng khoan ngang là yếu tố hạn chế hiệu suất khai thác: Áp suất đáy giếng tại phần cuối thân giếng (toe) cao hơn đáng kể so với phần đầu (heel), dẫn đến giảm lưu lượng khai thác các khe nứt gần toe khoảng 27%. Ví dụ, tổn hao áp suất ma sát giảm từ 180 psi xuống còn 8 psi khi tăng đường kính ống khai thác từ 2-3/8 inch lên 4-1/2 inch.

  2. Chiều dài thân giếng ngang ảnh hưởng đến hiệu suất khai thác và tổn hao áp suất: Chiều dài tối ưu được xác định là 1344 m, bao phủ 5 khe nứt đầu tiên, đạt 99% sản lượng tối đa và 98% lợi nhuận tối đa. Giếng dài hơn không mang lại lợi ích kinh tế do tổn hao áp suất tăng.

  3. Giếng khoan ngang tăng sản lượng dầu thêm khoảng 5 triệu thùng so với giếng thẳng đứng (2,4 triệu thùng): Tuy nhiên, sự gia tăng này không tỷ lệ thuận với chiều dài thân giếng do tổn hao áp suất ma sát.

  4. Giá trị hiện tại ròng (NPV) của dự án tăng từ 10,9 triệu USD (khai thác từ khe nứt đầu tiên) lên 40 triệu USD khi khai thác toàn bộ các khe nứt trong thân giếng ngang: Điều này chứng tỏ tầm quan trọng của việc thiết kế giếng khoan ngang tối ưu để khai thác hiệu quả các khe nứt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của tổn hao áp suất ma sát là do dòng chảy hỗn hợp trong ống khai thác có vận tốc cao, kết hợp với ma sát thành ống và sự thay đổi áp suất dọc thân giếng. So với các nghiên cứu quốc tế tại các mỏ tương tự như Bakken (Mỹ) hay Devonian Shale (Mỹ), kết quả nghiên cứu tại mỏ HMT tương đồng về ảnh hưởng của tổn hao áp suất ma sát lên hiệu suất khai thác giếng ngang.

Việc tăng đường kính ống khai thác làm giảm vận tốc dòng chảy, từ đó giảm tổn hao áp suất ma sát đáng kể, đồng thời chiều dài thân giếng cần được tối ưu để cân bằng giữa diện tích tiếp xúc và tổn hao áp suất. Các biểu đồ áp suất dọc thân giếng và sản lượng theo chiều dài giếng minh họa rõ ràng sự giảm hiệu suất khi chiều dài vượt quá mức tối ưu.

Nghiên cứu góp phần làm rõ vai trò của tổn hao áp suất ma sát trong thiết kế giếng khoan ngang, từ đó giúp các kỹ sư khai thác có cơ sở khoa học để điều chỉnh thiết kế nhằm tối ưu hóa sản lượng và lợi nhuận.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng đường kính ống khai thác lên 4-1/2 inch nhằm giảm tổn hao áp suất ma sát từ 180 psi xuống còn khoảng 8 psi, giúp tăng hiệu suất khai thác các khe nứt ở phần cuối thân giếng. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn thiết kế và hoàn thiện giếng khoan; Chủ thể thực hiện: Công ty khai thác và nhà thầu khoan.

  2. Thiết kế chiều dài thân giếng ngang tối ưu khoảng 1344 m, bao phủ 5 khe nứt đầu tiên để đạt hiệu suất khai thác và lợi nhuận tối đa. Thời gian thực hiện: giai đoạn lập kế hoạch khoan; Chủ thể thực hiện: Bộ phận kỹ thuật khai thác.

  3. Áp dụng mô hình thủy lực LGR tích hợp tổn hao áp suất ma sát trong quá trình thiết kế và mô phỏng khai thác để dự báo chính xác hiệu suất giếng khoan ngang. Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình thiết kế và vận hành; Chủ thể thực hiện: Phòng kỹ thuật và nghiên cứu phát triển.

  4. Theo dõi và phân tích dữ liệu khai thác thực tế để điều chỉnh thiết kế giếng khoan ngang phù hợp với điều kiện thực tế mỏ nhằm giảm thiểu tổn hao áp suất và tối ưu hóa sản lượng. Thời gian thực hiện: định kỳ hàng năm; Chủ thể thực hiện: Bộ phận vận hành và giám sát khai thác.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư khai thác dầu khí: Nắm bắt các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất giếng khoan ngang, áp dụng các giải pháp giảm tổn hao áp suất ma sát để tối ưu hóa sản lượng.

  2. Nhà thiết kế giếng khoan: Sử dụng mô hình thủy lực tích hợp tổn hao áp suất để thiết kế giếng khoan ngang phù hợp với đặc điểm mỏ và điều kiện khai thác.

  3. Chuyên gia phân tích kinh tế dự án dầu khí: Đánh giá hiệu quả kinh tế của các phương án thiết kế giếng khoan ngang dựa trên NPV và các chỉ số tài chính khác.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật dầu khí: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình thủy lực và phân tích tổn hao áp suất trong giếng khoan ngang, phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu và học thuật.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tổn hao áp suất do ma sát trong giếng khoan ngang là gì?
    Tổn hao áp suất do ma sát là sự giảm áp suất trong dòng chảy do lực ma sát giữa dòng chất lưu và thành ống giếng khoan ngang, ảnh hưởng đến áp suất đáy giếng và hiệu suất khai thác. Ví dụ, tại mỏ HMT, tổn hao này có thể làm giảm 27% sản lượng khai thác các khe nứt gần phần cuối thân giếng.

  2. Tại sao đường kính ống khai thác ảnh hưởng đến tổn hao áp suất?
    Đường kính ống lớn hơn làm giảm vận tốc dòng chảy, từ đó giảm lực ma sát và tổn hao áp suất. Nghiên cứu tại mỏ HMT cho thấy tăng đường kính từ 2-3/8 inch lên 4-1/2 inch giảm tổn hao áp suất từ 180 psi xuống còn 8 psi.

  3. Chiều dài thân giếng ngang tối ưu là bao nhiêu?
    Chiều dài tối ưu tại mỏ HMT là khoảng 1344 m, đủ để khai thác hiệu quả 5 khe nứt đầu tiên, đạt 99% sản lượng tối đa và 98% lợi nhuận tối đa. Giếng dài hơn không mang lại lợi ích kinh tế do tổn hao áp suất tăng.

  4. Mô hình LGR có vai trò gì trong nghiên cứu?
    Mô hình LGR giúp mô phỏng chi tiết tổn hao áp suất do ma sát trong giếng khoan ngang với độ phân giải cao, từ đó đánh giá chính xác hiệu suất khai thác từng đoạn thân giếng và hỗ trợ thiết kế tối ưu.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế khai thác?
    Kết quả nghiên cứu được áp dụng trong thiết kế giếng khoan ngang mới, lựa chọn đường kính ống và chiều dài thân giếng phù hợp, đồng thời theo dõi dữ liệu khai thác để điều chỉnh thiết kế và vận hành nhằm giảm tổn hao áp suất và tăng sản lượng.

Kết luận

  • Giếng khoan ngang tại mỏ HMT giúp tăng sản lượng thêm khoảng 5 triệu thùng so với giếng thẳng đứng, nhưng tổn hao áp suất do ma sát là yếu tố hạn chế hiệu suất khai thác.
  • Tổn hao áp suất ma sát giảm đáng kể khi tăng đường kính ống khai thác từ 2-3/8 inch lên 4-1/2 inch, từ 180 psi xuống còn 8 psi.
  • Chiều dài thân giếng ngang tối ưu là 1344 m, khai thác hiệu quả 5 khe nứt đầu tiên, đạt gần tối đa sản lượng và lợi nhuận.
  • Mô hình thủy lực LGR tích hợp tổn hao áp suất ma sát là công cụ hiệu quả để thiết kế và mô phỏng giếng khoan ngang.
  • Đề xuất áp dụng thiết kế tối ưu và theo dõi dữ liệu khai thác thực tế nhằm giảm tổn hao áp suất, nâng cao hiệu quả khai thác và lợi nhuận kinh tế.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị khai thác và thiết kế cần áp dụng kết quả nghiên cứu để điều chỉnh thiết kế giếng khoan ngang, đồng thời tiếp tục thu thập và phân tích dữ liệu khai thác nhằm tối ưu hóa hiệu quả khai thác mỏ HMT.