Tổng quan nghiên cứu

Mỏ Đại Hùng, thuộc bồn trũng Nam Côn Sơn, cách thành phố Vũng Tàu khoảng 250 km về phía Đông Nam, là một mỏ dầu khí khai thác ở mực nước sâu 110 mét. Với hơn 20 năm khai thác, mỏ Đại Hùng hiện do PVEP-POC điều hành, tập trung khai thác chủ yếu trong tầng trầm tích lục nguyên Miocene dưới, nơi xuất hiện hiện tượng sinh cát gây thiệt hại kinh tế và kỹ thuật nghiêm trọng. Các giếng ngầm khai thác trong tầng này thường gặp khó khăn trong kiểm soát cát, đặc biệt khi áp suất vỉa suy giảm mạnh, làm tăng nguy cơ phá hủy thiết bị và giảm hiệu quả khai thác.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích cơ chế sinh cát, các yếu tố ảnh hưởng đến lượng cát sinh ra trong quá trình khai thác tại mỏ Đại Hùng, đồng thời đề xuất phương pháp theo dõi và kiểm soát cát phù hợp, tiết kiệm chi phí và hiệu quả trong điều kiện kinh tế hiện nay. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các giếng ngầm khai thác trong tầng Miocene dưới tại mỏ Đại Hùng, với dữ liệu thu thập từ lịch sử khai thác, hoàn thiện giếng và các thông số vận hành trong khoảng thời gian từ năm 1989 đến 2016.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp thực tiễn, dựa trên phân tích hiện trường và xây dựng phương trình thực nghiệm để hiệu chỉnh chế độ khai thác, giúp hạn chế nguy cơ sinh cát, nâng cao hiệu quả khai thác và giảm thiểu chi phí bảo dưỡng, đặc biệt trong bối cảnh giá dầu giảm sâu và yêu cầu tiết kiệm chi phí vận hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai cơ chế phá hủy chính của đất đá trong vỉa dầu khí: phá hủy kéo và phá hủy cắt. Phá hủy kéo xảy ra khi ứng suất kéo vượt quá giới hạn chịu kéo thấp của đất đá trầm tích, trong khi phá hủy cắt phát sinh do chênh lệch áp suất đáy giếng và áp suất vỉa vượt quá độ bền cắt của thành hệ. Cả hai cơ chế này làm suy giảm lực cô kết của đất đá, dẫn đến hiện tượng sinh cát.

Ngoài ra, các khái niệm quan trọng bao gồm trạng thái ứng suất của thành hệ (ứng suất thẳng đứng, ứng suất ngang, ứng suất hiệu dụng), ảnh hưởng của lưu lượng khai thác, độ nhớt dung dịch, chế độ dòng chảy, sự suy giảm áp suất vỉa và tác động của nước xâm nhập đến tính ổn định của thành hệ. Luận văn cũng phân tích các phương pháp kiểm soát cát hiện nay, bao gồm phương pháp cơ học (chèn sỏi, hệ thống lọc, sửa giếng bằng coil tubing), phương pháp hóa học (sử dụng nhựa epoxy, phenol-formaldehyde) và hiệu chỉnh chế độ khai thác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ lịch sử khai thác và hoàn thiện giếng của các giếng ngầm tại mỏ Đại Hùng, bao gồm các thông số áp suất vỉa, lưu lượng khai thác, hàm lượng nước, áp suất đóng giếng và các số liệu vận hành bề mặt. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều giếng ngầm khai thác trong tầng Miocene dưới, với thời gian khai thác trên 20 năm.

Phương pháp phân tích hiện trường được sử dụng để đánh giá nguy cơ sinh cát dựa trên các thông số khai thác thực tế, kết hợp với phương pháp hồi quy thực nghiệm để xây dựng phương trình mô hình hóa mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng và lượng cát sinh ra. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 01/2016 đến tháng 06/2016, trong đó quá trình thu thập và xử lý dữ liệu chiếm phần lớn thời gian.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên các giếng có dữ liệu đầy đủ và đại diện cho các khu vực khác nhau trong mỏ, nhằm đảm bảo tính khách quan và khả năng áp dụng rộng rãi của kết quả nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nguy cơ sinh cát tăng theo sự suy giảm áp suất vỉa: Các giếng ngầm tại mỏ Đại Hùng có áp suất vỉa giảm xuống dưới áp suất bão hòa, đặc biệt là các giếng khai thác trước năm 2008, dẫn đến tăng nguy cơ phá hủy thành hệ và sinh cát. Ví dụ, giếng DH-3P có mức suy giảm áp suất vỉa tương ứng với sự gia tăng hàm lượng cát trong sản phẩm khai thác, với lưu lượng khai thác giảm dần từ 1200 thùng/ngày xuống còn khoảng 600 thùng/ngày.

  2. Ảnh hưởng của chế độ côn khai thác và lưu lượng: Lưu lượng khai thác lớn làm tăng áp lực dòng chảy, gây phá hủy cơ học thành hệ và tăng lượng cát sinh ra. Các giếng có chế độ côn khai thác cao như DH-4X ghi nhận lượng cát tăng lên đến 30 pound/1000 thùng, trong khi các giếng có lưu lượng thấp hơn có lượng cát dưới 3 pound/1000 thùng.

  3. Tác động của hàm lượng nước khai thác: Sự xâm nhập nước vỉa làm thay đổi tính dính ướt và lực mao dẫn giữa các hạt đất đá, làm giảm lực cô kết và tăng nguy cơ sinh cát. Các giếng có hàm lượng nước khai thác trên 20% thường có lượng cát cao hơn 15% so với các giếng có hàm lượng nước thấp hơn.

  4. Hiệu quả của phương trình thực nghiệm: Phương trình hồi quy thực nghiệm được xây dựng từ dữ liệu hiện trường cho phép dự báo chính xác nguy cơ sinh cát dựa trên các thông số khai thác bề mặt như áp suất làm việc, lưu lượng và hàm lượng nước. So sánh với số liệu thực tế, phương trình có sai số dưới 10%, phù hợp để áp dụng trong điều kiện vận hành thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng sinh cát tại mỏ Đại Hùng là sự suy giảm áp suất vỉa nhanh và chế độ khai thác không phù hợp, làm phá hủy cơ học thành hệ trầm tích lục nguyên Miocene dưới. Kết quả phân tích hiện trường cho thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa các thông số khai thác và lượng cát sinh ra, đồng thời khẳng định vai trò quan trọng của việc điều chỉnh chế độ khai thác để hạn chế sinh cát.

So sánh với các nghiên cứu tại mỏ Sư Tử Nâu và mỏ Rang Đông, phương pháp phân tích hiện trường và xây dựng phương trình thực nghiệm tại Đại Hùng phù hợp hơn do đặc điểm dữ liệu và điều kiện khai thác khác biệt. Việc không thể áp dụng các mô hình số phức tạp do thiếu dữ liệu đo kiểm tra trực tiếp tại đáy giếng khiến phương pháp thực nghiệm trở thành lựa chọn tối ưu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tương quan giữa áp suất vỉa và hàm lượng cát, bảng so sánh lượng cát theo lưu lượng khai thác và hàm lượng nước, giúp minh họa rõ ràng các mối quan hệ và hỗ trợ việc ra quyết định vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Hiệu chỉnh chế độ khai thác: Điều chỉnh lưu lượng khai thác và áp suất làm việc của các giếng ngầm nhằm duy trì áp suất vỉa ở mức ổn định, hạn chế sự phá hủy thành hệ. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do nhà điều hành PVEP-POC chủ trì.

  2. Áp dụng phương trình thực nghiệm theo dõi sinh cát: Sử dụng phương trình hồi quy xây dựng từ dữ liệu hiện trường để đánh giá nguy cơ sinh cát định kỳ, giúp kịp thời điều chỉnh chế độ khai thác. Thời gian triển khai ngay trong năm đầu tiên sau nghiên cứu.

  3. Tăng cường giám sát và thu thập dữ liệu: Lắp đặt thiết bị đo áp suất bề mặt và thu thập dữ liệu khai thác chi tiết để cập nhật mô hình dự báo, nâng cao độ chính xác và hiệu quả kiểm soát cát. Kế hoạch thực hiện trong 12 tháng, phối hợp giữa kỹ sư vận hành và phòng kỹ thuật.

  4. Nghiên cứu và áp dụng công nghệ hoàn thiện giếng mới: Khi triển khai các dự án phát triển mỏ Đại Hùng Nam và Kình Ngư Trắng, cần lựa chọn phương pháp khoan và hoàn thiện giếng phù hợp để phòng tránh sinh cát, hạn chế chi phí sửa chữa về lâu dài. Đề xuất nghiên cứu trong giai đoạn chuẩn bị dự án, phối hợp với các chuyên gia kỹ thuật và nhà thầu khoan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành mỏ dầu khí: Nắm bắt cơ chế sinh cát và các yếu tố ảnh hưởng để điều chỉnh chế độ khai thác, giảm thiểu rủi ro và chi phí bảo dưỡng thiết bị.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chiến lược khai thác: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách khai thác hiệu quả, tiết kiệm chi phí và nâng cao hệ số thu hồi dầu.

  3. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển công nghệ dầu khí: Tham khảo phương pháp phân tích hiện trường và mô hình thực nghiệm để phát triển các công nghệ kiểm soát cát phù hợp với điều kiện mỏ cận biên.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật dầu khí: Là tài liệu tham khảo thực tiễn về ứng dụng lý thuyết cơ chế phá hủy đất đá và phương pháp nghiên cứu hiện trường trong khai thác dầu khí.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao hiện tượng sinh cát lại phổ biến ở mỏ Đại Hùng?
    Do mỏ khai thác lâu năm với áp suất vỉa suy giảm mạnh, đặc biệt trong tầng Miocene dưới có trầm tích lục nguyên kém bền vững, dẫn đến phá hủy cơ học thành hệ và sinh cát.

  2. Phương pháp phân tích hiện trường có ưu điểm gì?
    Phương pháp này tận dụng dữ liệu khai thác thực tế, tiết kiệm chi phí so với các phương pháp đo kiểm tra trực tiếp, phù hợp với điều kiện mỏ đã khai thác lâu năm và thiếu dữ liệu đo sâu.

  3. Làm thế nào để kiểm soát sinh cát hiệu quả?
    Điều chỉnh chế độ khai thác như giảm lưu lượng, duy trì áp suất vỉa ổn định, kết hợp theo dõi bằng phương trình thực nghiệm để dự báo và điều chỉnh kịp thời.

  4. Phương trình thực nghiệm được xây dựng dựa trên những thông số nào?
    Bao gồm áp suất làm việc của giếng, lưu lượng khai thác, hàm lượng nước và các thông số vận hành bề mặt khác, phản ánh trực tiếp ảnh hưởng đến sinh cát.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các mỏ khác không?
    Có thể áp dụng cho các mỏ có đặc điểm địa chất tương tự, đặc biệt là các mỏ cận biên với giếng ngầm khai thác lâu năm trong trầm tích lục nguyên Miocene dưới.

Kết luận

  • Mỏ Đại Hùng gặp phải vấn đề sinh cát nghiêm trọng do áp suất vỉa suy giảm và chế độ khai thác không phù hợp, ảnh hưởng đến hiệu quả và an toàn vận hành.
  • Phương pháp phân tích hiện trường kết hợp xây dựng phương trình thực nghiệm là giải pháp tiết kiệm chi phí, phù hợp với điều kiện khai thác hiện tại.
  • Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sinh cát gồm áp suất vỉa, lưu lượng khai thác, hàm lượng nước và chế độ côn khai thác.
  • Đề xuất hiệu chỉnh chế độ khai thác và áp dụng mô hình dự báo để kiểm soát sinh cát, nâng cao hiệu quả khai thác.
  • Tiếp tục thu thập dữ liệu và nghiên cứu công nghệ hoàn thiện giếng mới là bước tiếp theo cần thực hiện để phát triển bền vững mỏ Đại Hùng và các dự án liên quan.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng phương trình thực nghiệm trong giám sát khai thác và điều chỉnh chế độ vận hành, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các mỏ cận biên tương tự nhằm tối ưu hóa khai thác dầu khí trong điều kiện kinh tế hiện nay.