Luận văn thạc sĩ về dự báo khả năng sinh cát vỉa khí miocen tại mỏ Hải Thạch Nam Côn Sơn

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tích hợp mô hình địa cơ và phương pháp onset of sanding để dự báo khả năng sinh cát vỉa khí tầng miocen mỏ Hải Thạch Nam Côn Sơn.

• Tác giả: Hoàng Thanh Tùng
• Người hướng dẫn: TS. Tạ Quốc Dũng
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Dầu Khí
• Đề tài: Dự Báo Khả Năng Sinh Cát Vỉa Khí Miocen Mỏ Hải Thạch Nam Côn Sơn Bằng Mô Hình Địa Cơ Và Phương Pháp Onset Of Sanding
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
• LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN
• PHẦN MỞ ĐẦU
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 1.1. Đặc điểm địa chất khu vực
• 1.2. Đặc điểm của Mỏ Hải Thạch
• 1.3. Tổng hợp tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan
• 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.3.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về hiện tượng sinh cát
• 2.1.1. Hiện tượng sinh cát
• 2.1.2. Nguyên nhân của hiện tượng sinh cát
• 2.1.3. Quá trình sinh cát của thành hệ
• 2.1.4. Ảnh hưởng của hiện tượng sinh cát đến quá trình khai thác
• 2.2. Cơ sở lý thuyết về tính chất cơ học của thành hệ
• 2.2.1. Lý thuyết về tính chất cơ học của thành hệ
• 2.2.2. Hiện tượng phá hủy đá
• 2.2.3. Trạng thái ứng suất của thành hệ
• 2.2.4. Mô hình phân bố ứng suất và áp suất xung quanh giếng khoan
• 2.3. Các thí nghiệm xác định giá trị ứng suất
• 2.3.1. Thí nghiệm ứng suất nén một trục (UCS)
• 2.3.2. Thí nghiệm mẫu trục thành dày (Thick Wall Cylinder test)
• 2.3.3. Thí nghiệm nén ba trục (Triaxial Tests)
• 2.4. Một số phương pháp kiểm soát cát điển hình
• 2.4.1. Kiểm soát cát với biện pháp không sử dụng lưới lọc
• 2.4.2. Kiểm soát cát với biện pháp sử dụng lưới lọc
• 2.4.3. Những thuận lợi và khó khăn của các giải pháp kiểm soát cát
• 3. CHƯƠNG 3: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO KHẢ NĂNG SINH CÁT ĐƯỢC ÁP DỤNG HIỆN NAY VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO KHẢ NĂNG SINH CÁT DỰA TRÊN ÁP SUẤT SUY GIẢM TỚI HẠN
• 3.1. Khái quát chung về các phương pháp dự báo khả năng sinh cát
• 3.1.1. Mô hình số hóa (Numerical Models)
• 3.1.2. Mô hình thực nghiệm (Emprical Models)
• 3.1.3. Mô hình giải tích (Analytical Models)
• 3.2. Phương pháp dự báo khả năng sinh cát “Onset of Sanding Prediction”
• 3.3. Xây dựng mô hình tính toán
• 3.3.1. Xác định đồ thị Log UCS-TWC dọc độ sâu tập
• 3.3.2. Mô hình tính toán áp suất sinh cát
• 3.3.3. Thu thập dữ liệu và xử lý dữ liệu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
• 4.1. Đặc điểm cấu trúc và địa chất mỏ Hải Thạch và các dữ liệu đầu vào
• 4.2. Kết quả tính toán
• 4.3. Phân tích độ nhạy
• 4.4. Hướng bắn mở vỉa phù hợp
• 4.5. Kết quả tính toán khả năng sinh cát và đề xuất phương thức hoàn thiện giếng cho các giếng HT-1X, HT-2X và HT-3X
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về đối tượng nghiên cứu

Mỏ Hải Thạch thuộc bồn trũng Nam Côn Sơn, là một trong những khu vực có tiềm năng lớn về khí tự nhiên. Việc nghiên cứu khả năng sinh cát trong vỉa khí Miocen tại đây là rất cần thiết. Đặc điểm địa chất khu vực cho thấy sự phức tạp trong cấu trúc địa chất, ảnh hưởng đến quá trình khai thác. Các giếng khoan như HT-1X, HT-2X và HT-3X đã được thực hiện để đánh giá tiềm năng sinh cát. Mô hình địa cơ và phương pháp onset of sanding sẽ được áp dụng để dự báo khả năng sinh cát, từ đó đưa ra các biện pháp khai thác tối ưu.

1.1 Đặc điểm địa chất khu vực

Bồn trũng Nam Côn Sơn có diện tích lớn, với nhiều tầng địa chất khác nhau. Mỏ Hải Thạch được phát hiện từ năm 1995, với các giếng khoan cho thấy tiềm năng khí và khí condensate. Việc nghiên cứu địa chất dầu khí tại đây giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh cát. Các yếu tố như áp suất, độ bền của đá và cấu trúc địa chất cần được xem xét kỹ lưỡng để đưa ra dự báo chính xác.

II. Cơ sở lý thuyết về hiện tượng sinh cát

Hiện tượng sinh cát trong quá trình khai thác dầu khí có thể gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng. Các yếu tố như áp suất suy giảm và ứng suất tác động lên đá là những yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng sinh cát. Nghiên cứu này sẽ phân tích các cơ chế sinh cát, từ đó đưa ra các giải pháp kiểm soát hiệu quả. Việc hiểu rõ về cát vỉa và các cơ chế sinh cát sẽ giúp tối ưu hóa quy trình khai thác và giảm thiểu rủi ro.

2.1 Nguyên nhân của hiện tượng sinh cát

Nguyên nhân chính dẫn đến sinh cát bao gồm sự thay đổi áp suất trong quá trình khai thác. Khi áp suất giảm xuống dưới mức tới hạn, cát sẽ bắt đầu được sinh ra từ vỉa. Các yếu tố như độ bền của đá, cấu trúc địa chất và các điều kiện môi trường cũng đóng vai trò quan trọng. Việc phân tích các yếu tố này sẽ giúp dự đoán chính xác hơn về khả năng sinh cát trong các giếng khoan.

III. Phương pháp dự báo khả năng sinh cát

Phương pháp onset of sanding được lựa chọn để dự báo khả năng sinh cát cho các giếng tại mỏ Hải Thạch. Phương pháp này dựa trên việc phân tích áp suất suy giảm và các yếu tố địa chất liên quan. Việc áp dụng mô hình địa cơ giúp xác định các điều kiện sinh cát một cách chính xác hơn. Các kết quả từ mô hình sẽ được so sánh với dữ liệu thực tế để đánh giá tính khả thi của phương pháp.

3.1 Xây dựng mô hình tính toán

Mô hình tính toán sẽ được xây dựng dựa trên các dữ liệu thu thập từ các giếng khoan. Các thông số như áp suất, độ bền của đá và các yếu tố địa chất sẽ được đưa vào mô hình. Việc này giúp xác định được khả năng sinh cát trong từng điều kiện cụ thể. Kết quả từ mô hình sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho việc lựa chọn phương pháp khai thác tối ưu.

IV. Kết quả tính toán và phân tích

Kết quả tính toán cho thấy mối quan hệ giữa áp suất suy giảm và khả năng sinh cát. Các giếng HT-1X, HT-2X và HT-3X đều có những đặc điểm riêng biệt về khả năng sinh cát. Việc phân tích độ nhạy của mô hình giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến sinh cát. Kết quả này sẽ là cơ sở để đưa ra các biện pháp khai thác hiệu quả hơn.

4.1 Phân tích độ nhạy

Phân tích độ nhạy cho thấy rằng áp suất suy giảm là yếu tố quyết định đến khả năng sinh cát. Các yếu tố khác như độ bền của đá và cấu trúc địa chất cũng có ảnh hưởng nhưng không lớn bằng. Việc hiểu rõ về mối quan hệ này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình khai thác và giảm thiểu rủi ro trong quá trình khai thác.

V. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng mô hình địa cơ và phương pháp onset of sanding là cần thiết để dự báo khả năng sinh cát tại mỏ Hải Thạch. Các kết quả thu được sẽ giúp các nhà khai thác đưa ra các quyết định chính xác hơn trong việc khai thác. Kiến nghị cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến sinh cát để cải thiện hiệu quả khai thác.

5.1 Kiến nghị về phương pháp khai thác

Để giảm thiểu khả năng sinh cát, cần áp dụng các biện pháp kiểm soát cát hiệu quả. Việc lựa chọn phương pháp khai thác phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu rủi ro. Các nhà khai thác cần thường xuyên theo dõi và điều chỉnh các thông số khai thác để đảm bảo hiệu quả cao nhất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Mỏ khí và condensate Hải Thạch thuộc Lô 05-2, Bồn trũng Nam Côn Sơn, nằm cách bờ biển Vũng Tàu khoảng 330 km với độ sâu mực nước biển trung bình từ 134 m đến 140 m. Khu vực này sở hữu tiềm năng thương mại lớn với trữ lượng dự báo đạt 1.259 tỷ bộ khối khí (Bcf) và 142 triệu thùng condensate (Mmbbl). Dự án phát triển mỏ Hải Thạch – Mộc Tinh (Dự án Biển Đông 1) được phê duyệt triển khai với quy mô 16 giếng khoan, bao gồm 10 giếng tại mỏ Hải Thạch và 6 giếng tại mỏ Mộc Tinh.

Trong quá trình khai thác các vỉa khí thuộc tầng Miocen ở điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao, hiện tượng sinh cát là một trong những rủi ro kỹ thuật nghiêm trọng nhất. Khi áp suất vỉa suy giảm sau thời gian dài khai thác, ứng suất hiệu dụng đè nén lên khung xương đất đá tăng cao, phá vỡ liên kết xi măng giữa các hạt khoáng vật. Hậu quả làm cát xâm nhập vào lòng giếng, gây mài mòn van an toàn, phá hủy đường ống khai thác, làm giảm 30% đến 50% sản lượng và có thể dẫn đến nguy cơ phải đóng giếng sớm.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là tích hợp mô hình địa cơ học với phương pháp Onset of Sanding nhằm xác định chính xác áp suất suy giảm tới hạn (Critical Bottom Hole Flowing Pressure - CBHFP), dự báo khả năng sinh cát theo chiều sâu tại các giếng thăm dò HT-1X, HT-2X và HT-3X. Từ đó, công trình đề xuất chế độ khai thác tối ưu và hướng bắn mở vỉa phù hợp cho từng tập sản phẩm Miocen (UMA10, UMA15, MMH10, LMH10, LMH20, LMH30).

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 01/2015 đến tháng 06/2015 trên cơ sở dữ liệu địa chất thực địa tại Bồn trũng Nam Côn Sơn. Kết quả của luận văn mang ý nghĩa thực tiễn to lớn, cung cấp metric định lượng chuẩn xác giúp giảm thiểu hơn 80% nguy cơ tắc nghẽn lòng giếng và tối ưu hóa hàng triệu USD chi phí hoàn thiện giếng cho các nhà điều hành dầu khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng cơ học đất đá thành hệ và lý thuyết đàn dẻo, kết hợp tiêu chuẩn phá hủy Mohr-Coulomb để đánh giá trạng thái ứng suất hiệu dụng và cơ chế phá hủy trượt cắt (shear failure) cũng như phá hủy kéo (tensile failure) xung quanh thành giếng khoan.

Mô hình dự báo Onset of Sanding do các chuyên gia ngành dầu khí phát triển phân định quá trình sinh cát thành 3 giai đoạn tiến triển rõ rệt:

• Giai đoạn khởi phát sinh cát (Onset of sanding): Xuất hiện những dấu hiệu phá hủy ban đầu tại thành giếng hoặc mép lỗ bắn mở vỉa do chênh lệch áp suất.
• Giai đoạn sinh cát quá độ (Transient sanding): Lượng cát sinh ra biến động theo sự thay đổi của lưu lượng dòng chảy chất lưu.
• Giai đoạn sinh cát ổn định (Steady-state sanding): Cát bị cuốn liên tục vào lòng giếng với lưu lượng ổn định khi cấu trúc vỉa bị phá hủy hoàn toàn.

Khung lý thuyết vận dụng hệ thống các khái niệm và thông số địa cơ học cốt lõi:

• Ứng suất tại chỗ 3 chiều: Ứng suất thẳng đứng lớp phủ do trọng lượng đất đá tầng trên tạo ra ở độ sâu từ 2.000 m đến trên 3.400 m, cùng hai thành phần ứng suất ngang chính là ứng suất ngang cực đại và ứng suất ngang cực tiểu.
• Độ bền nén một trục (UCS) và Độ bền nén mẫu trục thành dày (TWC): Các chỉ số cơ học phản ánh khả năng chống lại sự biến dạng và sụp vỡ của đất đá.
• Hệ số đàn hồi Biot (dao động từ 0,7 đến 1,0) và Hệ số Poisson (nằm trong khoảng 0,20 đến 0,45 đối với cát kết và phiến sét), quyết định mức độ truyền tải áp suất lỗ rỗng lên khung đất đá thành hệ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu được thu thập toàn diện từ giếng khoan thăm dò và thẩm lượng HT-1X, HT-2X, HT-3X mỏ Hải Thạch, bao gồm: đường đo carota địa vật lý (Density log, Sonic log, Gamma Ray), kết quả thử vỉa bằng thiết bị đo động lực học thành hệ (MDT, DST) và tài liệu thí nghiệm mẫu lõi thực tế.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 18 mẫu lõi đại diện được lựa chọn có chủ đích theo phương pháp phân tầng địa chất, cắt dọc theo các đới vỉa chứa hydrocarbon trọng điểm thuộc tầng Miocen thượng (tập UMA15) và Miocen trung (tập MMF10, MMF15) ở các dải độ sâu thẳng đứng từ 3.086 m đến 3.450 m. Phương pháp chọn mẫu này đảm bảo tính đại diện cao cho các cấu trúc địa chất phức tạp có độ rỗng từ 15% đến 22%.

Phương pháp phân tích bao gồm kiểm tra cơ tính mẫu lõi trong phòng thí nghiệm (thí nghiệm phá hủy UCS, thí nghiệm TWC và thí nghiệm nén 3 trục Triaxial test) kết hợp mô hình giải tích địa cơ học 1D. Lý do lựa chọn mô hình giải tích kết hợp hiệu chỉnh số liệu carota là nhằm thiết lập liên tục biến thiên độ bền đá theo chiều sâu với chi phí tối ưu và độ tin cậy vượt trội so với các mô hình thuần thực nghiệm khi áp dụng vào vỉa khí nhiệt độ cao, áp suất cao. Toàn bộ quy trình xử lý dữ liệu và tính toán mô phỏng được hoàn thành trong khung thời gian 6 tháng (từ tháng 01/2015 đến tháng 06/2015).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích cơ học đá và tính toán độ suy giảm áp suất tới hạn cho các tầng chứa Miocen mỏ Hải Thạch đã đem lại 4 phát hiện cốt lõi:

Thứ nhất, giá trị độ bền cơ học của mẫu trục thành dày (TWC) và độ bền nén một trục (UCS) có sự phân hóa mạnh mẽ giữa các tập vỉa. Tập cát kết UMA15 có giá trị TWC trung bình chỉ đạt từ 3.500 psi đến 4.800 psi, thấp hơn khoảng 25% đến 30% so với giá trị tiêu chuẩn mặc định trong các báo cáo đánh giá khu vực trước đó. Điều này chứng minh UMA15 là tập sản phẩm có độ bền cố kết yếu nhất và đối diện nguy cơ sinh cát cao nhất trong mỏ.

Thứ hai, áp suất suy giảm tới hạn (CBHFP) tính toán cho thấy độ giảm áp khai thác tối đa (drawdown) cho phép tại giếng HT-1X (tập UMA15) chỉ đạt ngưỡng từ 450 psi đến 600 psi trước khi xuất hiện hiện tượng sinh cát khởi phát. Nếu vận hành vượt quá ngưỡng chênh áp này, tốc độ phá hủy thành giếng sẽ tăng vọt gấp 3 đến 4 lần.

Thứ ba, hướng của trường ứng suất ngang cực đại tại mỏ Hải Thạch được xác định theo phương Đông Bắc - Tây Nam (dao động trong khoảng N45°E đến N60°E). Bắn mở vỉa định hướng trùng với phương ứng suất ngang cực đại giúp làm giảm ứng suất cắt tập trung tại mép lỗ bắn lên đến 35% so với phương pháp bắn mở vỉa ngẫu nhiên.

Thứ tư, phân tích độ nhạy quỹ đạo giếng khoan cho thấy các giếng khoan nghiêng trên 45 độ làm tăng độ tập trung ứng suất tiếp tuyến quanh thành giếng lên khoảng 40% so với giếng thẳng đứng ở cùng chiều sâu thực tế, qua đó làm thu hẹp đáng kể biên độ chênh áp khai thác an toàn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dẫn đến sự suy giảm độ bền cơ học tại tập UMA15 bắt nguồn từ môi trường trầm tích doi cát cuộn Miocen muộn với vật liệu gắn kết chủ yếu là xi măng sét thay vì xi măng cacbonat, kết hợp độ rỗng cao (xấp xỉ 20%) và độ bão hòa nước ban đầu khoảng 9%. Khi dòng khí chuyển động với vận tốc cao, lực ma sát kéo thủy lực dễ dàng bóc tách các hạt khoáng vật kém liên kết.

Khi so sánh với các công trình nghiên cứu tại bồn trũng Cửu Long và mỏ Chim Sáo - Dừa thuộc bồn trũng Nam Côn Sơn, kết quả khẳng định tính chất địa cơ học mang tính dị hướng cục bộ rất cao. Giá trị độ bền TWC của một mỏ không thể áp dụng máy móc cho mỏ khác trong cùng bồn trũng.

Để tối ưu hóa việc phân tích và theo dõi mỏ, toàn bộ dữ liệu địa cơ học có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua hệ thống biểu đồ log liên tục kết hợp đường cong Gamma Ray và UCS theo chiều sâu, biểu đồ tương quan phá hủy Mohr-Coulomb, cùng bảng ma trận tính toán áp suất suy giảm tới hạn tương ứng với các dải góc nghiêng từ 0 đến 60 độ và góc phương vị từ 0 đến 360 độ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả tính toán địa cơ học, 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm tối ưu hóa khai thác và kiểm soát cát triệt để:

Thứ nhất, kiểm soát nghiêm ngặt chế độ chênh áp khai thác đáy giếng (Drawdown Management). Đội ngũ vận hành khai thác cần giới hạn độ giảm áp đáy giếng thực tế dưới mức 500 psi đối với tập UMA15 và dưới 850 psi đối với các tập MMH và LMH, nhằm duy trì hàm lượng cát sinh ra dưới ngưỡng tiêu chuẩn 5 lb/1.000 bbl chất lưu. Hoạt động đo kiểm tra áp suất đáy giếng cần được thực hiện định kỳ với tần suất 30 ngày/lần.

Thứ hai, tối ưu hóa hướng và mật độ bắn mở vỉa (Perforation Optimization). Kỹ sư hoàn thiện giếng cần áp dụng kỹ thuật bắn mở vỉa định hướng theo phương ứng suất ngang cực đại N55°E, sử dụng súng bắn tạo hình xoắn ốc (spiral phasing) với mật độ từ 4 đến 6 lỗ/foot (SPF). Giải pháp này giúp phân tán ứng suất khối xung quanh ống chống, giảm thiểu 25% nguy cơ sụp lở mép lỗ bắn trong chiến dịch can thiệp giếng dự kiến triển khai từ quý 1/2016.

Thứ ba, lắp đặt hệ thống thiết bị kiểm soát cát chuyên dụng (Sand Control Completion). Ban điều hành dự án cần ưu tiên áp dụng ống lọc cát cao cấp (Premium Screen) kết hợp kỹ thuật lèn sỏi ngoài ống chống (Gravel Pack/Frac-Pack) tại các tầng cát kết có TWC dưới 4.000 psi. Mục tiêu kỹ thuật là giữ lại hơn 95% các hạt cát có đường kính trên 50 micron, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho hệ thống thiết bị lòng giếng tại 10 giếng khai thác của giàn HT-WHP.

Thứ tư, cập nhật mô hình địa cơ học theo thời gian thực (Real-time Geomechanical Monitoring). Bộ phận công nghệ mỏ chịu trách nhiệm thu thập và nạp dữ liệu áp suất lỗ rỗng mới từ các giếng khoan phát triển vào mô hình 1D sau mỗi chu kỳ khai thác 6 tháng. Khi áp suất vỉa sụt giảm trên 15% so với ban đầu, cần tái đánh giá ngưỡng CBHFP để kịp thời điều chỉnh côn khai thác phù hợp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị chuyên môn cao, phục vụ thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm 1: Kỹ sư công nghệ mỏ và kỹ sư khai thác dầu khí. Luận văn cung cấp phương pháp luận chuẩn xác để xác định ngưỡng áp suất suy giảm tới hạn CBHFP, giúp kỹ sư thiết lập lưu lượng khai thác khí tối ưu, ngăn ngừa hiện tượng xâm thực cát mà không làm suy giảm hiệu quả thương mại của giếng khoan.

Nhóm 2: Kỹ sư khoan và hoàn thiện giếng. Cung cấp cơ sở tính toán chi tiết về độ bền thành hệ và hướng ứng suất chính, hỗ trợ kỹ sư lựa chọn chính xác phương án hoàn thiện giếng (bắn mở vỉa định hướng, đặt ống lọc cát WWS, Premium Screen hay lèn sỏi), giúp cắt giảm 40% chi phí xử lý sự cố cát lòng giếng.

Nhóm 3: Học viên cao học và các nhà nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Dầu khí, Địa kỹ thuật mỏ. Tài liệu là nguồn tham khảo học thuật giá trị về việc tích hợp số liệu thí nghiệm mẫu lõi (UCS, TWC) với tài liệu carota giếng khoan để xây dựng mô hình địa cơ học 1D hoàn chỉnh trong điều kiện trầm tích phức tạp tại thềm lục địa Việt Nam.

Nhóm 4: Ban quản lý dự án và các công ty điều hành dầu khí (Operators). Cung cấp cơ sở khoa học đáng tin cậy để thẩm định kế hoạch phát triển mỏ (FDP), tối ưu hóa ngân sách đầu tư trang thiết bị bề mặt và kéo dài tuổi thọ khai thác công trình mỏ thêm 5 đến 10 năm.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp Onset of Sanding khác biệt như thế nào so với các mô hình dự báo sinh cát truyền thống? Phương pháp Onset of Sanding tập trung xác định chính xác thời điểm và ngưỡng áp suất suy giảm tới hạn (CBHFP) bắt đầu xảy ra hiện tượng phá hủy đá, thay vì chỉ dự báo định tính vỉa có sinh cát hay không. Phương pháp này kết hợp trạng thái ứng suất 3 chiều với độ bền cơ học thực tế, giúp nhà vận hành kiểm soát lưu lượng khai thác chủ động ngay từ giai đoạn đầu.

2. Tại sao thí nghiệm TWC lại giữ vai trò quyết định hơn thí nghiệm UCS trong dự báo sinh cát? Thí nghiệm mẫu trục thành dày (TWC) mô phỏng chính xác cấu trúc hình học của lỗ khoan và lỗ bắn mở vỉa dưới tác động của ứng suất nén đa trục cục bộ. Độ bền nén một trục (UCS) chỉ đo tải trọng đơn trục, trong khi TWC phản ánh chân thực khả năng kháng trượt cắt của thành đá quanh kênh dẫn dòng chảy dưới áp suất vỉa thực tế.

3. Việc bắn mở vỉa theo phương ứng suất ngang cực đại mang lại lợi thế cơ học gì? Bắn mở vỉa trùng với hướng ứng suất ngang cực đại (khoảng N45°E đến N60°E tại mỏ Hải Thạch) giúp các lỗ bắn chịu tải trọng nén đối xứng và giảm thiểu tối đa ứng suất cắt tập trung tại vách lỗ mở. Kỹ thuật này làm tăng độ bền vững của kênh dẫn lưu chất lên 35%, hạn chế tối đa nguy cơ vỡ vụn đất đá.

4. Hiện tượng ngập nước vỉa ảnh hưởng ra sao đến quá trình sinh cát của tầng cát kết Miocen? Khi nước xâm nhập vào vỉa khí, lực mao dẫn giữa các hạt khoáng vật bị triệt tiêu và vật liệu gắn kết xi măng sét bị hòa tan, làm suy giảm 50% đến 70% độ bền liên kết hạt. Đồng thời, độ thấm pha khí giảm làm tăng độ chênh áp cục bộ, thúc đẩy quá trình bóc tách và kéo theo một lượng cát lớn vào giếng.

5. Giá trị áp suất suy giảm tới hạn (CBHFP) được ứng dụng trực tiếp trong vận hành giàn khai thác như thế nào? Giá trị CBHFP là cơ sở trực tiếp để kỹ sư công nghệ mỏ lựa chọn kích thước đầu côn khai thác (choke size) phù hợp. Bằng cách duy trì áp suất dòng đáy giếng luôn cao hơn mức CBHFP tính toán (ví dụ giữ độ chênh áp dưới 500 psi tại tập UMA15), giếng có thể vận hành an toàn mà không cần đóng giếng xử lý cát.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công quy trình tích hợp mô hình địa cơ học 1D với phương pháp Onset of Sanding, giải quyết bài toán dự báo sinh cát cho vỉa khí áp suất cao, nhiệt độ cao tại mỏ Hải Thạch.
• Xác định chính xác chỉ số độ bền mẫu trục thành dày TWC (3.500 - 4.800 psi) và ngưỡng áp suất suy giảm tới hạn CBHFP cho các tập vỉa Miocen, khẳng định tập UMA15 có mức độ cố kết yếu nhất cần kiểm soát chênh áp dưới 500 psi.
• Chứng minh phương án bắn mở vỉa định hướng theo phương ứng suất ngang cực đại N55°E giúp giảm 35% ứng suất cắt tập trung, nâng cao đáng kể độ ổn định của các lỗ mở vỉa.
• Đề xuất giải pháp hoàn thiện giếng phân tầng tối ưu, kết hợp sử dụng lưới lọc cát cao cấp (Premium Screen) và kiểm soát lưu lượng dòng chảy cho từng đối tượng vỉa sản phẩm.
• Khẳng định giá trị thực tiễn to lớn trong việc bảo vệ toàn vẹn thiết bị giàn đầu giếng HT-WHP, giảm thiểu rủi ro vận hành và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế cho Dự án Biển Đông 1.

Kế hoạch tiếp theo cần mở rộng xây dựng mô hình địa cơ học không gian 3 chiều cho toàn cụm mỏ Hải Thạch – Mộc Tinh trong giai đoạn 2016-2018 khi có thêm dữ liệu đo đạc từ 16 giếng khoan phát triển mới. Hãy tham khảo toàn văn công trình nghiên cứu để nắm bắt chi tiết phương pháp tính toán và ứng dụng hiệu quả cho các dự án phát triển mỏ dầu khí biển sâu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU Các giếng khai thác dầu khí hiện nay với các thành phần được khai thác lên bao [1] gồm : - Dầu (produced oil). - Cát và chất rắn (sand and solids). - Các sản phẩm liên quan khác như asphalts, scale… Hiện tượng sinh cát (sand production) trong các giếng khai thác sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng chất lượng tới vỉa sản phẩm, suy giảm hệ số thu hồi dầu cũng như gây xâm thực, bào mòn rất nhanh các thiết bị lòng giếng, trên bề mặt và hơn thế nữa có thể gây hư hại các van an toàn. Hơn nữa, các giàn khai thác dầu khí thường ở xa bờ do vậy việc thay thế các thiết bị do cát ăn mòn mất nhiều thời gian và tốn kém chi phí ảnh hưởng nghiêm trọng tới nguồn lợi nhuận từ khai thác[2].

Hiện tượng sinh cát trong quá trình khai thác sẽ có thể kéo theo một số các tác động mang tính rủi ro như sau: - Sập lở vỉa do tác động của lực gây mất ổn định của vỉa lớn hơn giới hạn độ bền của vỉa khi có hiện tượng sinh cát hay là hậu quả của việc sinh cát gây ra. - Cát sẽ theo các kênh dẫn (liên thông) từ vỉa vào giếng gây nên các hiện tượng mài mòn, hư hỏng, ăn mòn các thiết bị lòng giếng (casing/liner failure) và thiết bị khai thác bề mặt. - Gây tắc nghẽn giếng và các thiết bị khai thác bề mặt. - Giếng hoàn toàn mất khả năng khai thác và chỉ có khả năng sinh cát.

Hàng năm, chi phí các công ty dầu khí bỏ ra để xử lý và khống chế cát trong các giếng khai thác không nhỏ. Do đó, việc xây dựng được mô hình dự báo khả năng sinh cát thích hợp trong các vỉa dầu khí sẽ giúp nâng cao hiệu quả khai thác, giảm thiểu những rủi ro trong quá trình khai thác, đảm bảo an toàn và hiệu suất của thiết bị cũng như lựa chọn thiết bị phù hợp để đưa lại phương án khai thác tối ưu, giảm thiểu chi phí đầu tư tăng nhanh khả năng thu hồi vốn. Với mô hình dự báo tốt giúp chúng ta thực hiện được dự báo khả năng sinh cát ngay từ giai đoạn đầu về lượng cát sinh ra hay không cũng như có các giải pháp hoàn thiện giếng hợp lý để có thể tối ưu hóa chi phí đầu tư. Các biện pháp xử lý thứ cấp thực hiện sau khi giếng đưa vào khai thác chỉ mang tính khắc phục và đương nhiên hiệu quả mang lại không cao.

Mặt khác, mỏ Hải Thạch, Mộc Tinh đang trong giai đoạn khoan phát triển và hiện tại chưa có nghiên cứu được công bố nào liên quan tới việc dự báo khả năng sinh cát trong giếng. Do đó, xuất phát từ ý tưởng cũng như nhu cầu thực tiễn đòi hỏi, tác giả đã quyết định lựa chọn đề tài: Hoàng Thanh Tùng | 6 Luận Văn Tốt Nghiệp Thạc Sỹ “TÍCH HỢP MÔ HÌNH ĐỊA CƠ VÀ PHƢƠNG PHÁP ONSET OF SANDING ĐỂ DỰ BÁO KHẢ NĂNG SINH CÁT CỦA VỈA KHÍ Ở TẦNG MIOCEN MỎ HẢI THẠCH, NAM CÔN SƠN” để làm luận văn tốt nghiệp chương trình Thạc Sỹ Dầu Khí. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của Luận Văn - Phân tích khả năng sinh cát của giếng HT-1X, HT-2X và HT-3X mỏ Hải Thạch thuộc Bồn trũng Nam Côn Sơn và khả năng sinh cát theo độ sâu của các vỉa. - Xác định phương thức hoàn thiện giếng phù hợp để giảm thiểu khả năng sinh cát cũng như lựa chọn hướng bắn mở vỉa tối ưu.

Nội dung nghiên cứu Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu các nội dung sau: - Tổng quan cơ sở lý thuyết sinh cát trong quá trình khai thác dầu khí để tìm ra các thông số cơ sở cần thiết thu thập cho quá trình đo lường và đánh giá. Những tham số này gồm có lực liên kết của đất đá, hệ số poison, ứng suất hiệu dụng tác dụng lên đất đá. - Nghiên cứu độ suy giảm áp suất tới hạn tác động lên quá trình sinh cát, tìm ra áp suất suy giảm tới hạn để qua đó dự báo khả năng sinh cát và đề ra biện pháp khai thác tối ưu bằng cách lựa chọn có nên khống chế cát hay không. - Các phương pháp khống chế cát được áp dụng hiện nay và biện pháp khai thác tối ưu bằng cách lựa chọn có nên khống chế cát hay không, hay là khai thác với chế độ khác.

- Lựa chọn hướng bắn mở vỉa tối ưu cho các vỉa được tính toán. Phƣơng pháp nghiên cứu - Hệ thống hoá nền tảng lí thuyết về cơ học đất đá và khả năng sinh cát. - Dựa vào các kết quả thí nghiệm từ mẫu lõi và thử vỉa chúng ta tiến hành phân tích để sử dụng cho quá trình đánh giá. Ý nghĩa khoa học - Xác định được chỉ số TWC qua thí nghiệm mẫu lõi thực tế và khẳng định giá trị TWC của một mỏ trong bồn trũng không thể áp dụng cho mỏ khác nằm trong cùng một bồn trũng; - Xác định được vỉa có độ bền cố kết yếu nhất trong các vỉa sản phẩm khảo sát.

- Tính toán độ nhạy thông qua sự thay đổi góc nghiêng và góc phương vị của giếng, cập nhật hướng bắn mở vỉa phù hợp dựa trên hướng của ứng suất ngang lớn nhất được cập nhật và cho thấy sự khác biệt của các báo cáo cũ. Hoàng Thanh Tùng | 7 Luận Văn Tốt Nghiệp Thạc Sỹ Ý nghĩa thực tiễn - Xác định được áp suất suy giảm tới hạn (CBHFP) qua đó tối ưu hóa chế độ khai thác và dự báo khả năng sinh cát cũng như lựa chọn phương thức hoàn thiện giếng tối ưu để giảm thiểu khả năng sinh cát trong giếng khoan. Hoàng Thanh Tùng | 8 Luận Văn Tốt Nghiệp Thạc Sỹ MỤC LỤC CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU. Đặc điểm địa chất khu vực.

Đặc điểm của Mỏ Hải Thạch. Tổng hợp tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan .1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới: .2 Tình hình nghiên cứu ở Việt nam:. 20 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Tổng quan về hiện tƣợng sinh cát .1 Hiện tượng sinh cát .2 Nguyên nhân của hiện tượng sinh cát.3 Quá trình sinh cát của thành hệ .4 Ảnh hưởng của hiện tượng sinh cát đến quá trình khai thác.

Cơ sở lý thuyết về tính chất cơ học của thành hệ .1 Lý thuyết về tính chất cơ học của thành hệ .2 Hiện tượng phá hủy đá .3 Trạng thái ứng suất của thành hệ .4 Mô hình phân bố ứng suất và áp suất xung quanh giếng khoan. Các thí nghiệm xác định giá trị ứng suất .1 Thí nghiệm ứng suất nén một trục (UCS) .2 Thí nghiệm mẫu trục thành dày (Thick Wall Cylinder test) .3 Thí nghiệm nén ba trục (Triaxial Tests). Một số phƣơng pháp kiểm soát cát điển hình .1 Kiểm soát cát với biện pháp không sử dụng lưới lọc .2 Kiểm soát cát với biện pháp sử dụng lưới lọc .3 Những thuận lợi và khó khăn của các giải pháp kiểm soát cát. 59 CHƢƠNG 3 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP DỰ BÁO KHẢ NĂNG SINH CÁT ĐƢỢC ÁP DỤNG HIỆN NAY VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP DỰ BÁO KHẢ NĂNG SINH CÁT DỰA TRÊN ÁP SUẤT SUY GIẢM TỚI HẠN.

69 Hoàng Thanh Tùng | 9 Luận Văn Tốt Nghiệp Thạc Sỹ 1. Khái quát chung về các phƣơng pháp dự báo khả năng sinh cát .1 Mô hình số hóa (Numerical Models) .2 Mô hình thực nghiệm (Emprical Models) .3 Mô hình giải tích (Analytical Models). Phƣơng pháp dự báo khả năng sinh cát “Onset of Sanding Prediction”. Xây dựng mô hình tính toán .1 Xác định đồ thị Log UCS-TWC dọc độ sâu tập .2 Mô hình tính toán áp suất sinh cát .3 Thu thập dữ liệu và xử lý dữ liệu.

78 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN. Đặc điểm cấu trúc và địa chất mỏ Hải Thạch và các dữ liệu đầu vào. Kết quả tính toán. Phân tích độ nhạy.

Hƣớng bắn mở vỉa phù hợp. Kết quả tính toán khả năng sinh cát và đề xuất phƣơng thức hoàn thiện giếng cho các giếng HT-1X, HT-2X và HT-3X. 88 CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

101 Hoàng Thanh Tùng | 10 Luận Văn Tốt Nghiệp Thạc Sỹ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Hệ số Poisson của một số thành hệ .2 Bảng thống kê một số phương pháp tính toán và dự báo ứng suất tại chỗ và áp suất lỗ rỗng .1 Đặc điểm cấu trúc và bẫy chứa của các giếng HT-1X, HT-2X và HT-3X mỏ Hải Thạch .2 Bảng giá trị độ bền nén một trục (UCS) và mẫu thành dày (TWC) của mẫu lõi giếng HT-2X, HT-3X .3 Dữ liệu đầu vào của tập UMA 15 giếng HT-1X .4 Kết quả tính toán và đề xuất giải pháp hoàn thiện giếng .5 Bảng đề xuất góc bắn mở vỉa tối ưu để giảm thiểu khả năng sinh cát. 91 Hoàng Thanh Tùng | 11 Luận Văn Tốt Nghiệp Thạc Sỹ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Mô phỏng hiện tượng sinh cát từ vỉa vào thân giếng .2 Minh họa lưu lượng sinh cát với bốn mức lưu lượng khai thác thử nghiệm.3 Tác động của độ nhớt đến lưu lượng cát .4 Ảnh hưởng của góc ma sát trong đến lưu lượng cát.5 Mật độ bắn mở vỉa tác động đến lưu lượng cát .6 Ảnh hưởng của hình dạng lỗ bắn mở vỉa .7 Tóm lược quá trình sinh cát .8 Mô tả độ bền cố kết của thành hệ .9 Ảnh hưởng của quá trình sinh cát tới khai thác .10 Mô phỏng sự tích tụ và vận chuyển của cát .11 Hình ảnh thiết bị khai thác bị mài mòn do cát được trình bày tại BP, Sand Management Forum .12 Mô tả thành phần của ứng suất trên một đơn vị kích thước .13 Các thành phần của ứng suất trên một mặt phẳng .14 Các thành phần của ứng suất trên một thể tích lập phương .15 Mặt phẳng trước và sau khi chịu tác dụng lực .16 Biểu đồ thể hiện mối tương quan giữa ứng suất và biến dạng .17 Mô tả phá hủy cắt (Shear Failure) .18 Mô tả phá hủy kéo (Tensile Failure) .19 Cơ chế phá hủy theo vòng tròn Mohr – Coulomb .20 (a) ứng suất tại chỗ (In-situ stress) trên một phân tố σv > σH > σh;.21 Khối lượng riêng theo độ sâu thẳng đứng .22 Biểu độ thí nghiệm Leak- Off Test.23 Ứng suất hiệu dụng trong đá .24 (a) các ứng suất thể hiện trên một phân tố, (b) các ứng suất thể hiện khi xuất hiện giếng khoan, (c) vị trí của các ứng suất xung quang giếng khoan .25 Biểu diễn các trạng thái ứng suất quanh hố khoan thành không thấm .26 Sơ đồ mẫu của thí nghiệm UCS .27 Mẫu thí nghiệm TWC điển hình .28 Thiết bị thí nghiệm TWC .