CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Khái quát về nâng cao hệ số thu hồi dầu Trước đây nâng cao hệ số thu hồi dầu (EOR) được định nghĩa chung là lượng dầu thu hồi gia tăng so với quá trình khai thác thông thường chỉ sử dụng năng lượng vỉa tự nhiên của của mỏ dầu khí. Với định nghĩa rất rộng này, EOR bao gồm rất nhiều các giải pháp khác nhau như bơm ép nước, bơm ép kiềm, bơm ép hợp chất hydrocarbon, bơm ép khí CO2, bơm ép hỗn hợp mixen (micellar)-polyme và các phương pháp nhiệt khác. Trong đó điển hình là việc áp dụng rộng rãi giải pháp bơm ép nước để gia tăng sản lượng [27]. Hiện nay các đánh giá EOR được xem xét trên nhiều khía cạnh: nguyên lý gia tăng thu hồi, tính kinh tế và giai đoạn áp dụng trong đời mỏ thì giải pháp bơm ép nước và bơm ép khí để duy trì năng lượng vỉa đã được tách ra khỏi định nghĩa về các giải pháp nâng cao thu hồi dầu.
Quá trình bơm ép nước, bơm ép khí nhằm mục đích duy trì năng lượng vỉa được định nghĩa là quá trình thu hồi thứ cấp. Phương pháp nâng cao hệ số thu hồi dầu là giải pháp tam cấp (cuối cùng) và đóng vai trò quan trọng để gia tăng lợi nhuận tối đa cho khai thác mỏ dầu khí. Nâng cao hệ số thu hồi dầu được chia thành các loại: Giải pháp hoá học, giải pháp khí, giải pháp nhiệt và giải pháp khác (vi sinh, acoustic, điện từ) [49,32,69]. Trong đó các áp dụng trên thế giới tập trung chủ yếu trong 3 giải pháp hóa, khí và nhiệt (Hình 1.
➢ Giai đoạn thu hồi sơ cấp: là giai đoạn đầu tiên của đời mỏ dầu khí với việc sử dụng năng lượng tự nhiên của vỉa chứa để dịch chuyển dầu khí từ vỉa vào giếng và nâng chất lưu khai thác lên bề mặt. Ngoài ra, còn có sự hỗ trợ năng lượng từ cơ chế giãn nở của các thành phần nhẹ hoặc có sử dụng thiết bị bơm điện ngầm, gaslift trong các giếng khai thác. Khi năng lượng tự nhiên dần bị suy kiệt hoặc không đủ cung cấp với sản lượng khai thác ngày càng tăng theo kế hoạch phát triển mỏ và kịch bản khai thác thì giai đoạn khai thác thứ cấp sẽ được áp dụng [5,7].1: Tổng quan thu hồi dầu qua các giai đoạn khai thác ➢ Giai đoạn thứ cấp: là giai đoạn mà thông thường áp dụng bằng quá trình khai thác kết hợp với bơm ép nước hoặc bơm ép khí với mục đích duy trì năng lượng vỉa [37]. Sau một thời gian bơm ép, nước sẽ xâm nhập và chiếm tỷ phần chủ yếu trong các giếng khai thác gây cản trở dòng dầu từ vỉa chứa vào giếng khai thác.
Một số mỏ dầu khí không được tối ưu cho bơm ép thường có hiện tượng ngập nước sớm hoặc hiện tượng lưỡi nước trong vỉa do dòng nước bơm ép dịch chuyển nhanh dẫn đến dòng dầu không đến được giếng khai thác. Trong giai đoạn thu hồi dầu thứ cấp, bơm ép nước không có khả năng đẩy toàn bộ dầu ra khỏi đá chứa, do lực mao dẫn làm một phần dầu bị giữ lại. Mức độ dầu bị giữ lại ít nhất trong đá chứa có tính dính ướt nước. Độ bão hòa này phụ thuộc vào tính chất cấu trúc đá chứa, phân bố lỗ rỗng, tính chất lưu thể vỉa liên quan trực tiếp đến cơ chế vi mô của bẫy chứa, do vậy sẽ quyết định khả năng thu hồi dầu của quá trình bơm ép nước [22].
Do đó, kể cả những vỉa chứa có độ rỗng, độ thấm tốt, tính đồng nhất cao được phản ánh qua độ quét tương đối tốt thì độ bão hoà dầu dư (Sor) vẫn còn khoảng từ 15 - 40% trên tổng lượng 11 dầu trong đá chứa. Giảm độ bão hoà dầu dư và gia tăng hệ số quét của chất lưu bơm ép là mục tiêu quan trọng đối với thu hồi dầu tam cấp [32]. ➢ Giai đoạn tam cấp chính là giai đoạn nâng cao hệ số thu hồi dầu với các giải pháp chính là giải pháp hoá, giải pháp khí và giải pháp nhiệt. Các phương pháp nâng cao hệ số thu hồi dầu đều tuân theo nguyên lý cơ bản là nhằm gia tăng hệ số đẩy và hệ số quét của tác nhân bơm ép, nguyên lý xây dựng trên tương quan của độ nhớt hệ chất lưu vỉa - chất lưu bơm ép, trọng trường và áp suất mao dẫn [49].
Cơ sở lý thuyết và cơ chế nâng cao hệ số thu hồi dầu Các phương pháp nâng cao hệ số thu hồi đều tuân theo nguyên lý cơ bản là gia tăng hệ số đẩy và hệ số quét của tác nhân bơm ép [50], nguyên lý xây dựng trên tương quan của độ nhớt hệ chất lưu vỉa - chất lưu bơm ép, trọng trường và áp suất mao dẫn thể hiện qua các công thức cơ bản sau: Hình 1.2: Công thức tính các mối tương quan của các lực trong EOR Tăng hệ số đẩy dầu giúp khai thác thêm một phần dầu bị giữ trong các bẫy mao dẫn hoặc dầu dư còn lại trên bề mặt đá chứa ưa dầu. Hiệu quả đẩy dầu phụ thuộc lực nhớt, lực mao dẫn và lực trọng trường (hình 1. Tăng hệ số quét của chất lưu bơm ép giúp gia tăng khai thác dầu tại các vùng ít/không chịu ảnh hưởng của quá trình bơm ép nước thông thường (hình 1.3: Tỷ lệ linh động các pha và hệ số quét Cơ chế nâng cao hệ số thu hồi dầu được thể hiện qua quá trình đẩy dầu ra khỏi lỗ rỗng và đẩy dầu tại các vùng mà nước bơm ép chưa bao quát được bằng các hệ chất lưu đẩy hoặc bằng cách thay đổi tính chất của dầu tại chỗ. Cơ chế của các phương pháp nâng cao hệ số thu hồi dầu được định nghĩa bằng 02 quá trình cơ chế đẩy dầu vi mô và cơ chế đẩy dầu vĩ mô.
Cơ chế đẩy dầu vi mô và vĩ mô đều chịu ảnh hưởng của cấu trúc lỗ rỗng của đá, tính chất lưu thể vỉa, tính chất lưu thể bơm đẩy để nâng cao hệ số thu hồi dầu, cơ chế dòng chảy trong vỉa. Cấu trúc lỗ rỗng Mọi cơ giải pháp nâng cao hệ số thu hồi dầu đều liên quan đến cấu trúc lỗ rỗng của vỉa chứa. Hệ số đẩy và hệ số quét của tác nhân bơm ép/chất lưu bơm ép nhằm nâng cao hệ số thu hồi dầu đều phụ thuộc vào áp suất mao dẫn và độ linh động của chất lưu, các yếu tố này đều chịu ảnh hưởng và chi phối của cấu trúc lỗ rỗng. Cấu trúc lỗ rỗng gồm đường kính của các lỗ rỗng, hình thái của lỗ rỗng, cổ lỗ rỗng và phân bố các lỗ rỗng trong cấu trúc [20].
Chi tiết cấu trúc lỗ rỗng có thể được kiểm tra thông qua kính hiển vi điện tử (Wardlaw, 1976 [95]; Gardner, 1980 [54]). Trong những năm gần đây, ưu điểm quan trọng của mô hình môi trường rỗng sử dụng ứng dụng học thuyết thẩm thấu (Levine et al., 1977; Larson et al., 1981) Các nghiên cứu trên thế giới về gia tăng thu hồi dầu đã được tiến hành nhiều với mẫu lõi đá cát kết của mỏ Berea bởi vì nó sẵn có [20]. Quy trình thử nghiệm thiết kế trên các vỉa cụ thể, tuy nhiên các thử nghiệm với mẫu lõi chỉ tiến hành trong khu vực thử nghiệm [90]. 13 Đá Đá Đá Lỗ rỗng Lỗ rỗng Đá Đá Đá Cổ lỗ rỗng Hình 1.4: Cấu trúc lỗ rỗng 1.
Dòng chảy trong lỗ rỗng Định luật Darcy Dòng chất lưu trong môi trường rỗng của đất đá được nhà khoa học Darcy mô tả qua phương trình (1.1), đây là định luật cơ bản thể hiện khả năng dịch chuyển của chất lưu trong môi trường rỗng. Nó thể hiện mối quan hệ giữa chênh áp của một chất lưu không chịu nén chảy qua lỗ hổng có chiều dài là L và cắt qua tiết diện A. Tốc độ của dòng chảy phụ thuộc vào độ nhớt của chất lưu, tiết diện, chiều dài và chênh áp giữa hai đầu của môi trường rỗng [93]. Định luật Darcy được thể hiện như sau: µ𝑞𝐿 𝐾= (1.1) 𝐴𝑃 Trong đó : K - Độ thấm, Darcy P - Độ chênh áp suất giữa đầu và cuối mẫu, atm L - Chiều dài mẫu, cm A - Tiết diện mẫu, cm2 µ - Độ nhớt của chất lưu, cp q - Lưu lượng của chất lưu đi qua mẫu, cm3/sec 14 Dòng chảy đa pha trong môi trường rỗng Định luật Darcy áp dụng cho chế độ dòng chảy một pha, tuy nhiên trong thực tế, vỉa chứa dầu khí tồn tại nhiều hơn một loại chất lưu đồng thời (dầu, khí, nước) chảy tới giếng khai thác [104].
Chế độ của dòng chảy chất lưu trong môi trường đất đá có thể chia thành hai trường hợp là ổn định và không ổn định. Đối với chế độ chảy ổn định thì mọi vị trí trong dòng chảy đều có tính chất như nhau, tuy nhiên đối với chế độ chảy không ổn định thì ngược lại. Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy đa pha như độ bão hoà chất lưu, tính dính ướt, lực mao dẫn, sức căng bề mặt và độ thấm pha tương đối. Độ linh động và tỷ số độ linh động của chất lưu Độ linh động là tỷ số giữa độ thấm và độ nhớt của chất lưu k/µ.
Khi dòng chảy chất lưu có hai pha như khí/dầu; dầu/nước; khí/nước đặc trưng chảy của chất lưu đa pha phụ thuộc vào tỷ suất giữa độ linh động M của mỗi chất lưu dầu, khí và nước. Khi một chất lưu bị một chất lưu khác đẩy tỷ số độ linh động được quy ước là tỷ suất linh động của chất lưu đẩy trên chất lưu bị đẩy [48]. Nếu tỷ số này lớn hơn 1, có nghĩa là sự đẩy này diễn ra không như ý muốn, thường là kết quả của hiện tượng phân toả dạng ngón hay có thể bị đánh thủng. Đối với những tỷ số độ linh động nhỏ hơn hoặc bằng 1 thì quá trình đẩy sẽ diễn ra như piston đẩy.
Ảnh hưởng của tỷ số độ linh động lên hiện tượng phân tỏa dạng ngón bằng cách đưa ra hàng loạt các dạng phân tỏa dạng ngón xảy ra với các giá trị tỷ số linh động khác nhau (Hình 1. Theo Stalkup (1983) công thức để tính toán tỷ số linh động cho bơm ép nước khí luân phiên khi có sự hiện diện của nước trong dầu vỉa (công thức 1. Kg K + w M = Chat−day = ( g + w ) g = w Swavg (1.2) Chat−bi−day (o + w ) K o K w + o w Sowavg Trong đó: M : Tỷ số linh động trong bơm ép nước khí luân phiên. 15 λchat-day : Độ linh động của nước và khí.