Luận án nghiên cứu ứng dụng công nghệ bơm ép luân phiên nước khí hydrocacbon nhằm nâng cao hệ số thu hồi dầu tại tầng miocen bể cửu long

Luận án nghiên cứu ứng dụng công nghệ bơm ép luân phiên nước khí hydrocacbon nhằm nâng cao hệ số thu hồi dầu tại tầng Miocen bể Cửu Long.

• Người hướng dẫn: PGS. Cao Ngọc Lâm
• Trường học: Trường Đại học Mỏ Địa chất
• Chuyên ngành: Kỹ thuật dầu khí
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bơm ép luân phiên nước - khí Hydrocarbon nhằm nâng cao hệ số thu hồi dầu tại tầng Mioxen, Bể Cửu Long
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Khái quát về nâng cao hệ số thu hồi dầu
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của nghiên cứu

Nghiên cứu về hệ số thu hồi dầu tại tầng Miocen bể Cửu Long là rất quan trọng trong bối cảnh nguồn tài nguyên dầu khí ngày càng cạn kiệt. Khai thác dầu hiện nay chủ yếu dựa vào các mỏ có trữ lượng lớn, nhưng số lượng mỏ mới phát hiện ngày càng giảm. Điều này dẫn đến việc nâng cao hệ số thu hồi dầu (Enhanced Oil Recovery - EOR) trở thành một nhiệm vụ cấp thiết. Theo thống kê, hiện tại chỉ có khoảng 20-32% dầu tại chỗ được thu hồi, trong khi hơn 70% vẫn chưa được khai thác. Việc áp dụng công nghệ bơm ép nước và khí hydrocacbon là một trong những giải pháp khả thi để tăng cường tầng cường thu hồi dầu. Việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này không chỉ giúp tăng sản lượng khai thác mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành dầu khí Việt Nam.

II. Công nghệ bơm ép luân phiên nước khí

Công nghệ bơm ép luân phiên nước - khí là một phương pháp tiên tiến nhằm tối ưu hóa quá trình thu hồi dầu. Phương pháp này cho phép kết hợp giữa nước và khí hydrocacbon để duy trì áp suất trong mỏ, từ đó tăng cường khả năng thu hồi dầu. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ bơm ép này có thể cải thiện đáng kể hệ số thu hồi dầu tại tầng Miocen. Các mô hình mô phỏng cho thấy rằng việc điều chỉnh tỷ lệ bơm nước và khí có thể tạo ra hiệu ứng tích cực trong việc đẩy dầu ra khỏi các khe nứt trong đá chứa. Điều này không chỉ giúp tăng sản lượng mà còn giảm thiểu chi phí khai thác, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế cho các dự án dầu khí.

III. Đánh giá hiệu quả và ứng dụng thực tiễn

Đánh giá hiệu quả của phương pháp bơm ép luân phiên nước - khí cho thấy rằng nó có thể nâng cao hệ số thu hồi dầu lên đến 5-10% so với các phương pháp truyền thống. Việc áp dụng công nghệ này tại các mỏ thuộc bể Cửu Long đã cho thấy những kết quả khả quan. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng tầng địa chất và tính chất của chất lưu trong mỏ có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả của phương pháp này. Do đó, việc nghiên cứu kỹ lưỡng các yếu tố này là cần thiết để tối ưu hóa quy trình khai thác. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có thể được áp dụng thực tiễn, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác dầu khí tại Việt Nam.

IV. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu về nâng cao hệ số thu hồi dầu tại tầng Miocen bể Cửu Long bằng công nghệ bơm ép luân phiên nước - khí hydrocacbon đã chỉ ra rằng đây là một giải pháp khả thi và hiệu quả. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp tăng sản lượng khai thác mà còn đảm bảo tính bền vững cho ngành dầu khí. Khuyến nghị cho các nhà đầu tư và các công ty dầu khí là cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ này, đồng thời áp dụng các giải pháp tối ưu để nâng cao hiệu quả khai thác. Điều này sẽ góp phần quan trọng vào việc đảm bảo nguồn năng lượng cho tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Nghiên cứu ứng dụng các giải pháp nâng cao hệ số thu hồi dầu (Enhanced Oil Recovery - EOR) tại các mỏ dầu khí ngoài khơi bước vào giai đoạn suy kiệt là một trong những bài toán khoa học kỹ thuật cấp thiết nhất của ngành công nghiệp năng lượng thế giới. Tại thềm lục địa Việt Nam, dầu khí khai thác chủ yếu tập trung tại bể Cửu Long, trong đó thân dầu móng Granite nứt nẻ và tầng cát kết Mioxen đóng vai trò chủ đạo, chiếm tới 90% tổng sản lượng dầu khai thác hàng năm. Mặc dù trong thập niên qua đã ghi nhận thêm 25 phát hiện dầu khí mới trên toàn thềm lục địa, song phần lớn là các cấu tạo nhỏ có điều kiện kinh tế cận biên với trữ lượng trung bình chỉ khoảng 35 triệu thùng dầu/phát hiện. Trong khi đó, các mỏ chủ lực sau thời gian dài áp dụng chế độ tự phun và duy trì áp suất vỉa bằng phương pháp bơm ép nước thứ cấp hiện chỉ đạt hệ số thu hồi trung bình từ 20% đến 32% lượng dầu tại chỗ ban đầu (OOIP). Thực trạng này đồng nghĩa với việc "Hơn hai phần ba (2/3) lượng dầu đã phát hiện vẫn chưa thể khai thác. Như vậy, lượng dầu chưa được khai thác chiếm tới 70% và là tiềm năng cho các giải pháp kỹ thuật nhằm tận thu hồi lượng dầu còn lại này".

Khoảng trống nghiên cứu (Research Gap) lớn nhất hiện nay nằm ở sự thiếu hụt các cơ sở lý thuyết nhiệt động lực học và mô hình mô phỏng thủy động lực học chuyên sâu để đánh giá bản chất quá trình hòa tan, trao đổi pha và kiểm soát độ linh động khi bơm ép chất lưu tam cấp trong điều kiện địa chất - chất lưu phức tạp tại thềm lục địa Việt Nam. Trong khi các giải pháp hóa phẩm bị giới hạn nghiêm trọng bởi nhiệt độ cao (>80°C), độ khoáng hóa lớn của nước biển/nước vỉa và logistics ngoài khơi, còn giải pháp khí $CO_2$ không khả thi do thiếu nguồn cung công nghiệp và chi phí đường ống đắt đỏ, thì giải pháp bơm ép khí Hydrocarbon mới chỉ dừng lại ở thử nghiệm đơn lẻ tại một mỏ duy nhất. Luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bơm ép luân phiên nước - khí Hydrocarbon nhằm nâng cao hệ số thu hồi dầu tại tầng Mioxen, Bể Cửu Long" do NCS thực hiện (dưới sự hướng dẫn của PGS. Cao Ngọc Lâm và TSKH. Phùng Đình Thực tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất) đã tiên phong giải quyết toàn diện bài toán này.

Các câu hỏi nghiên cứu (Research Questions - RQ) và giả thuyết khoa học (Hypotheses - H) trọng tâm được định hình cụ thể:

• RQ1 & H1: Áp suất trộn lẫn tối thiểu (MMP) của hệ chất lưu tầng Mioxen mỏ Sư Tử Đen với khí đồng hành phân tách (SepGas) được kiểm soát bởi cơ chế nhiệt động học nào, và có thể đạt trạng thái hòa lẫn hoàn toàn/gần hòa lẫn ở điều kiện áp suất vỉa thực tế hay không? Giả thuyết: Quá trình trộn lẫn diễn ra theo cơ chế ngưng tụ/hóa hơi kết hợp (C/V drive) với giá trị MMP biến thiên phụ thuộc vào gradient thành phần chất lưu theo độ sâu.
• RQ2 & H2: Hiện tượng phân tỏa dạng ngón (viscous fingering) do chênh lệch độ nhớt và phân tầng trọng lực (gravity segregation) do khác biệt tỷ trọng có thể bị triệt tiêu bằng tỷ lệ bơm ép luân phiên nước - khí (WAG) và kích thước nút khí (% PV) tối ưu hay không? Giả thuyết: Việc thiết kế nút khí từ 5% - 10% PV kết hợp tỷ lệ WAG 1:1 sẽ ổn định mặt tiến đẩy và kiểm soát tỷ số độ linh động $M \le 1$.
• RQ3 & H3: Bơm ép luân phiên nước - khí Hydrocarbon có mang lại hiệu quả vượt trội về hệ số quét thể tích ($E_v$) và hiệu suất đẩy vi mô ($E_d$) so với bơm ép nước truyền thống trên mô hình thực tế mỏ Sư Tử Đen hay không? Giả thuyết: "Việc gia tăng 1-2% hệ số thu hồi dầu với các mỏ có trữ lượng lớn sẽ tương tự như phát hiện ra một mỏ nhỏ", giải pháp WAG hydrocarbon đảm bảo tính khả thi cao nhất cả về kỹ thuật lẫn hiệu quả kinh tế mỏ.

Khung lý thuyết của công trình tích hợp sâu sắc giữa Nhiệt động lực học cân bằng pha (Phase Equilibria Thermodynamics), Phương trình trạng thái phi tuyến (Equation of State - EOS), Định luật dòng chảy đa pha trong môi trường rỗng Darcy mở rộng và Thuyết thẩm thấu môi trường mao dẫn. Quy mô công trình được thể hiện qua cấu trúc toàn diện gồm 133 trang, 19 bảng biểu đối sánh, 108 hình vẽ, bản đồ phân bố cấu trúc, đồ thị mô phỏng và 112 tài liệu tham khảo chuyên ngành quốc tế và trong nước. Đối tượng nghiên cứu trọng tâm là tầng cát kết Mioxen hạ, mỏ Sư Tử Đen thuộc Hợp đồng Dầu khí Lô 15-1, bể Cửu Long, do Công ty Điều hành chung Cửu Long (Cuu Long JOC) quản lý và vận hành.

Literature Review và Positioning

Lịch sử phát triển các giải pháp nâng cao hệ số thu hồi dầu trên thế giới ghi nhận sự tiến hóa qua ba giai đoạn khai thác chính: sơ cấp (tận dụng năng lượng tự nhiên của vỉa), thứ cấp (bơm ép nước hoặc ép khí duy trì áp suất vỉa theo Sheng, 2011) và tam cấp (EOR chuyên sâu tác động làm thay đổi bản chất tương tác chất lưu - đá chứa theo Lake, 1989; Green & Willhite, 1998). Dựa trên thống kê hơn 1.000 dự án EOR toàn cầu, các giải pháp nhiệt (Steam injection với 513 dự án, CSS, SAGD) chiếm ưu thế tuyệt đối ở các mỏ dầu nặng ($API < 20$) trên đất liền (Muskat, 1949; Collins, 1976), trong khi các giải pháp hóa học (Polyme với 267 dự án, Surfactant, ASP) đòi hỏi điều kiện vỉa không quá sâu và nhiệt độ vừa phải (Reed & Healy, 1979). Ngược lại, các mỏ khai thác ngoài khơi chịu ràng buộc khắt khe về không gian sàn giàn (topside footprint) và chi phí vận hành, dẫn đến xu hướng tất yếu là tập trung vào giải pháp bơm ép khí Hydrocarbon và khí $CO_2$ luân phiên nước (WAG).

Trong bức tranh tổng quan y văn, tồn tại các cuộc tranh luận học thuật sâu sắc giữa các trường phái nghiên cứu:

1. Tranh luận về cơ chế trộn lẫn đa tiếp xúc: Các nghiên cứu kinh điển ban đầu phân tách rạch ròi giữa cơ chế khí hóa hơi thuần túy (Vaporizing Gas Drive - VGD) khi khí khô trích ly cấu tử nhẹ từ dầu (Stalkup, 1983) và cơ chế khí ngưng tụ (Condensing Gas Drive - CGD) khi cấu tử trung gian trong khí bơm ép tan vào pha lỏng. Tuy nhiên, các công trình đột phá của Zick (1986) và sau đó được Whitson & Hoier (2000), Orr (2007) mở rộng qua Phương pháp Đặc tính (Method of Characteristics - MOC) đã chỉ ra rằng phần lớn quá trình hòa trộn khí hydrocarbon thực tế diễn ra theo cơ chế phức hợp ngưng tụ/hóa hơi (Condensing/Vaporizing - C/V drive), nơi mặt trước xảy ra quá trình bay hơi mạnh cấu tử nặng và mặt sau chi phối bởi sự ngưng tụ cấu tử trung gian.
2. Tranh luận về phương pháp xác định Áp suất trộn lẫn tối thiểu (MMP): Một trường phái kiên định với phương pháp thực nghiệm truyền thống qua thiết bị ống mỏng (Slimtube test) như tiêu chuẩn vàng duy nhất (Yellig & Metcalfe, 1980; Chatzis & Morrow, 1981). Trường phái thứ hai bảo vệ giải pháp mô phỏng số 1D và thuật toán tính toán pha nhiệt động lực học (Hearn & Whitson, 1995; Jessen et al., 1998). Nhược điểm của mô phỏng số 1D là hiện tượng phân tán số học (numerical dispersion) làm sai lệch kết quả MMP nếu số lượng ô lưới không đủ mịn, trong khi Slimtube lại vô cùng đắt đỏ và tốn thời gian.

Luận án định vị chính xác vị trí khoa học của mình bằng cách lấp đầy khoảng trống nghiên cứu tại Đông Nam Á, kết nối đồng bộ giữa kết quả đo thực nghiệm Slimtube trong phòng thí nghiệm với mô hình mô phỏng số 1D Slimtube đã khử phân tán số học (sử dụng từ 100 đến 5.000 ô lưới với $\Delta x = 0,61\text{ m}$) và mô hình thủy động lực học thành phần 3D toàn mỏ.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế điển hình:

• Trường hợp mỏ Prudhoe Bay & Kuparuk River (Alaska, Hoa Kỳ): Áp dụng thành công bơm ép WAG khí Hydrocarbon làm giàu quy mô lớn ở điều kiện vỉa cát kết đồng nhất cao (Stalkup, 1983; McGuire et al., 2001). Luận án kế thừa nguyên lý kiểm soát linh động nhưng điều chỉnh cho điều kiện vỉa cát kết Mioxen bể Cửu Long có độ bất đồng nhất phân lớp cực kỳ phức tạp và chứa dầu nhẹ có áp suất bão hòa thay đổi mạnh theo độ sâu.
• Trường hợp các mỏ ngoài khơi Malaysia (Bể Malay & Sarawak): Các nghiên cứu của Petronas (Othman et al., 2007; Samsudin et al., 2012) triển khai WAG khí hydrocarbon cho các mỏ cát kết biển nông. Nghiên cứu của NCS tiến xa hơn khi xây dựng bộ 9 tiêu chí đánh giá kỹ thuật - kinh tế đặc thù, chứng minh rằng bơm ép luân phiên dưới trộn lẫn (gần trộn lẫn - near-miscible) vẫn mang lại hiệu suất khai thác tối ưu mà không đòi hỏi chi phí nén khí vượt quá giới hạn an toàn áp suất vỉa.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đã mở rộng và bổ sung căn bản cho các lý thuyết kinh điển về truyền khối và thủy động lực học vỉa chứa dầu khí trong môi trường rỗng:

1. Mở rộng lý thuyết trộn lẫn đa tiếp xúc C/V (Zick, 1986; Whitson, 2000): Chứng minh sự tồn tại và phát triển của vùng chuyển tiếp (oil bank) trong điều kiện chất lưu dầu Mioxen Sư Tử Đen khi tương tác với khí đồng hành bình tách (SepGas). Kết quả chỉ ra hệ số phân bố $K$-value của các cấu tử trung gian hội tụ tại điểm gần trộn lẫn ở mặt trước và phân kỳ ở mặt sau, xác lập quy luật suy giảm sức căng bề mặt pha (Interfacial Tension - IFT) tiệm cận 0, làm triệt tiêu lực bẫy mao dẫn ở cấp độ vi mô.
2. Xác lập mô hình động học MMP phụ thuộc Gradient thành phần chất lưu (GCE Model): Bổ sung vào lý thuyết cân bằng tỷ trọng/hóa học đẳng nhiệt (Gradient Compositional Equilibrium - GCE) khi tích hợp thuật toán đa dòng Zick. Nghiên cứu chứng minh giá trị MMP không phải là một hằng số cố định mà biến thiên tuyến tính theo độ sâu vỉa (-3.000 m đến -3.500 m TVD) do sự chuyển dịch phần trăm mol giữa nhóm cấu tử nhẹ ($C_1, N_2$) và nhóm cấu tử trung bình - nặng ($C_2 - C_6, C_{7+}$).
3. Chuyển dịch Paradigm kiểm soát dòng chảy đa pha: Thay đổi nhận thức từ việc xem bơm ép nước duy trì áp suất là giải pháp cuối cùng sang mô hình tối ưu hóa đồng thời tỷ số linh động hiệu dụng $M$ và hệ số bao quét đứng $E_I$ thông qua cơ chế tự phân tán của các nút nước - khí xen kẽ.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án được xây dựng dựa trên sự hợp nhất chặt chẽ giữa 4 khối lý thuyết nền tảng:

• Định luật Darcy đa pha và Phương trình Buckley-Leverett: Mô tả vận tốc dịch chuyển từng pha lỏng - khí qua độ thấm tương đối $K_{rg}, K_{rw}, K_{ro}$ và độ nhớt động học $\mu_g, \mu_w, \mu_o$.
• Lý thuyết Khuếch tán phân tử và Phân tán Taylor (Taylor, 1953; Aronofsky & Heller, 1957): Đánh giá sự mở rộng vùng trộn lẫn $\Delta x$ thông qua số vô thứ tự Peclet ($Pe = \lambda v / D$) và phương trình Heller (1963): $$\frac{\mathfrak{D}}{D} = \frac{1}{F\phi} + a_1 Pe + a_2 Pe^2$$
• Phương trình kiểm soát Tỷ số độ linh động WAG của Stalkup (1983): $$M = \frac{\lambda_{\text{displacing}}}{\lambda_{\text{displaced}}} = \frac{\left(\frac{K_{rg}}{\mu_g} + \frac{K_{rw}}{\mu_w}\right){S{w\text{avg}}}}{\left(\frac{K_{ro}}{\mu_o} + \frac{K_{rw}}{\mu_w}\right){S{ow\text{avg}}}}$$
• Lý thuyết Bẫy mao dẫn và Độ dính ướt (Stegemeier, 1977; Morrow & Chatzis, 1982): Phân tích sự dịch chuyển của giọt dầu dư ($S_{or}$) qua cổ lỗ rỗng (pore throat) khi số mao dẫn $N_c = \frac{\mu v}{\sigma \cos\theta}$ tăng cao.

Điều kiện biên xác lập cho khung phân tích: Áp dụng cho đối tượng cát kết trầm tích lục nguyên có tính bất đồng nhất cao, nhiệt độ vỉa đẳng nhiệt $115^\circ\text{C}-135^\circ\text{C}$, áp suất vỉa ban đầu cao hơn áp suất bão hòa ($P_i > P_b$), mạng lưới giếng khai thác - bơm ép 5 điểm với khoảng cách giếng $300 - 500\text{ m}$.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu được kiến tạo trên nền tảng Triết học thực chứng (Positivism) kết hợp với Chủ nghĩa hiện thực phản biện (Critical Realism), sử dụng phương pháp định lượng thực nghiệm kết hợp mô phỏng toán học đa quy mô (Multi-level Multi-scale Design):

• Cấp độ vi mô (Micro-scale): Khảo sát cấu trúc lỗ rỗng qua kính hiển vi điện tử quét (SEM) và lát mỏng thạch học (Wardlaw, 1976), đánh giá góc dính ướt $\theta$ và sức căng liên bề mặt $\sigma$ trên mẫu lõi cát kết Mioxen.
• Cấp độ trung mô (Meso-scale): Đo đạc thực nghiệm Slimtube 1D dài $12\text{ m}$, đường kính trong $0,635\text{ cm}$ nhồi cát đồng nhất để xác định đường cong thu hồi dầu và điểm MMP thực tế.
• Cấp độ vĩ mô (Macro-scale): Thiết lập mô hình mô phỏng thành phần 3D (Full-field Compositional Simulation) tích hợp toàn bộ các phân lớp địa chất, đặc tính bất đồng nhất $K_v/K_h$, và hệ thống giếng khai thác mỏ Sư Tử Đen.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình nghiên cứu tuân thủ tiêu chuẩn nghiêm ngặt của ngành dầu khí quốc tế:

1. Lấy mẫu và chuẩn bị dữ liệu: Thu thập mẫu chất lưu đáy giếng (Bottom-hole sample) và mẫu dầu khí tại bình tách tầng Mioxen mỏ Sư Tử Đen; phân tích thành phần sắc ký khí mở rộng đến nhóm phân đoạn nặng $C_{36+}$.
2. Quy trình thí nghiệm PVT chuyên sâu: Tiến hành thí nghiệm giãn nở thể tích không đổi (CCE), giải phóng vi sai (Differential Liberation - DL), thí nghiệm tách nhiều cấp (Separator test) và thí nghiệm độ trương nở phồng (Swelling test) khi hòa tan khí hydrocarbon ở các tỷ lệ mol khác nhau.
3. Hiệu chỉnh Phương trình trạng thái (EOS Tuning): Áp dụng mô hình Peng-Robinson (PR) và Soave-Redlich-Kwong (SRK). Sử dụng thuật toán gộp nhóm cấu tử thông minh của Hearn & Whitson (1995) để rút gọn hệ chất lưu từ hàng chục hợp phần xuống mô hình 9 cấu tử giả định ($CO_2-N_2, C_1, C_2-C_3, C_4-C_5, C_6, C_7-C_{10}, C_{11}-C_{15}, C_{16}-C_{25}, C_{26+}$), đảm bảo khớp tuyệt đối các dữ liệu PVT thực nghiệm và hệ số nhớt theo tương quan Lohrenz-Bray-Clark (LBC).
4. Triangulation (Tam giác đạc phương pháp): Đối chiếu chéo 3 nguồn kết quả xác định MMP: (1) Thực nghiệm vật lý Slimtube, (2) Mô phỏng số 1D Slimtube trên phần mềm PVT chuyên dụng, và (3) Phương pháp giải tích MOC.

Data và phân tích

• Đặc trưng mẫu và vỉa chứa: Mẫu dầu thô Mioxen mỏ Sư Tử Đen có độ nhớt thấp ($0,4 - 1,2\text{ cP}$ ở điều kiện vỉa), tỷ trọng $36 - 40^\circ\text{ API}$, hàm lượng paraffin trung bình $15 - 22%$. Tầng cát kết có độ rỗng trung bình $\phi = 16 - 22%$, độ thấm tuyệt đối $K = 50 - 500\text{ mD}$.
• Kỹ thuật mô phỏng khử sai số: Trong mô phỏng 1D Slimtube, số lượng ô lưới $N$ được khảo sát từ 100 đến 5.000 ô lưới ($\Delta x = 0,61\text{ m}$). Ngoại suy tuyến tính độ thu hồi dầu theo $1/\sqrt{N}$ được thực hiện nhằm loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của hiện tượng hòa trộn số học (numerical mixing), đảm bảo MMP thu được là MMP nhiệt động học thực chất.
• Phân tích độ nhạy (Sensitivity Analysis): Khảo sát biến thiên của tỷ số thấm đứng/thấm ngang ($K_v/K_h = 0,01; 0,1; 0,5; 1,0$), kích thước nút bơm ép ($3%, 5%, 10%, 15%\text{ PV}$), tỷ lệ WAG ($1:2, 1:1, 2:1$) và tốc độ bơm ép dòng ổn định.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Minh chứng bản chất cơ chế trộn lẫn C/V: Quá trình bơm ép khí đồng hành tự nhiên (SepGas) vào tầng Mioxen không xảy ra trộn lẫn tiếp xúc đầu tiên (First Contact Miscibility - FCM) mà phát triển qua cơ chế ngưng tụ/hóa hơi đa tiếp xúc (Multi-Contact Miscibility - MCM C/V). Ở áp suất trên $280\text{ bar}$, các cấu tử $C_2 - C_5$ trong khí bơm liên tục ngưng tụ vào dầu, đồng thời các cấu tử trung bình $C_6 - C_{15}$ từ dầu bay hơi vào pha khí, tạo ra vùng hòa tan đồng nhất với hệ số thu hồi vi mô đạt xấp xỉ $95 - 98%$ trong mô phỏng 1D.
2. Xác lập chính xác biểu đồ MMP theo chiều sâu: Giá trị MMP của khí SepGas tăng dần từ đỉnh vỉa xuống đáy vỉa (từ $265\text{ bar}$ tại độ sâu $-3.050\text{ m}$ lên $295\text{ bar}$ tại $-3.400\text{ m}$ TVD). Trong trường hợp làm giàu khí bơm bằng cách bổ sung hydrocarbon trung gian ($C_2 - C_4$), cơ chế VGD biến mất hoàn toàn, điểm MMP giảm từ $30 - 45\text{ bar}$, cho phép quá trình hòa lẫn hoàn toàn đạt được ngay cả khi áp suất vỉa đã suy giảm cục bộ.
3. Phát hiện nghịch đảo về ảnh hưởng của tính bất đồng nhất $K_v/K_h$: Trong khi quan điểm truyền thống cho rằng vỉa có độ bất đồng nhất cao ($K_v/K_h \ll 1$) luôn gây bất lợi cho khai thác, nghiên cứu chứng minh trong công nghệ WAG, tỷ số $K_v/K_h$ thấp ($0,01 - 0,1$) đóng vai trò rào cản tự nhiên ngăn chặn khí di chuyển sớm lên nóc vỉa (giảm thiểu gravity override), từ đó nâng cao hệ số quét đứng $E_I$ lên $18 - 25%$ so với vỉa đẳng hướng.
4. Quy luật phân lớp thấm chứa và hiệu ứng quét ngược: Khi tầng có độ thấm cao nằm ở đáy vỉa, khí hydrocarbon di chuyển ưu tiên ở đáy sau đó nổi dần lên nhờ lực đẩy Archimedes và quét xuyên qua các tập thấm thấp phía trên, mang lại hiệu suất thu hồi dầu cao hơn $12%$ so với trường hợp tầng thấm cao nằm ở nóc vỉa (nơi khí nhanh chóng đột phá về giếng khai thác).
5. Bộ 9 tiêu chí đánh giá kỹ thuật - kinh tế toàn diện: Chứng minh phương án bơm ép luân phiên nước - khí dưới trộn lẫn (gần trộn lẫn ở áp suất $90 - 95%$ MMP) vẫn đạt hiệu quả kinh tế biên cao hơn bơm ép trộn lẫn hoàn toàn do tiết kiệm hàng chục triệu USD chi phí đầu tư hệ thống máy nén áp suất siêu cao trên giàn ngoài khơi.

Implications đa chiều

• Về mặt lý thuyết: Bổ sung cơ sở dữ liệu nhiệt động học chính xác cho hệ dầu nhẹ - khí đồng hành của bể trầm tích Cửu Long vào kho tàng lý thuyết EOR thế giới.
• Về mặt phương pháp luận: Chuẩn hóa quy trình liên kết chặt chẽ từ thực nghiệm PVT/Slimtube đến mô hình hóa EOS 9 cấu tử và mô phỏng 3D đa giếng, tạo tiền đề phương pháp cho các nghiên cứu EOR tiếp theo tại Việt Nam.
• Ứng dụng thực tiễn công nghiệp: Cung cấp thông số vận hành chuẩn mực cho Cuu Long JOC: Tỷ lệ thể tích nước:khí WAG tối ưu là $1:1$, kích thước mỗi nút bơm ép dao động từ $5% - 8%\text{ PV}$, chu kỳ luân phiên $3 - 6\text{ tháng/lần}$ bơm ép.
• Khuyến nghị chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PVN) và Bộ Công Thương xây dựng cơ chế khuyến khích tài chính, điều chỉnh điều khoản trong các Hợp đồng Dầu khí (PSC/JOC) nhằm thúc đẩy các nhà thầu áp dụng công nghệ EOR trước khi mỏ bước vào giai đoạn đóng cửa mỏ.

Limitations và Future Research

Luận án thẳng thắn ghi nhận các giới hạn nghiên cứu:

1. Giả định đẳng nhiệt trong mô hình vỉa: Mô phỏng số giả định nhiệt độ vỉa chứa không đổi theo thời gian ($T = \text{const}$), chưa tính đến hiệu ứng Joule-Thomson gây suy giảm nhiệt độ cục bộ quanh đáy giếng bơm ép khí áp suất cao.
2. Quy mô mẫu thực nghiệm Slimtube: Mẫu cát nhồi trong ống mỏng là môi trường rỗng nhân tạo đồng nhất, chưa tái hiện đầy đủ cấu trúc vi nứt nẻ và khoáng vật sét nhạy cảm (smectite/illite) có thể gây trương nở làm tắc nghẽn lỗ rỗng khi bơm ép nước biển.
3. Ràng buộc tài chính và công nghệ topside: Nghiên cứu chưa tích hợp mô hình tối ưu hóa không gian sàn giàn (deck space footprint) và tải trọng giàn khai thác đối với các cụm máy nén khí áp suất lớn ngoài biển.

Chương trình nghiên cứu 5 - 10 năm tiếp theo:

• Nghiên cứu công nghệ Bơm ép Khí có hỗ trợ bọt hoạt tính (Foam-Assisted WAG - FAWAG) nhằm gia tăng độ nhớt biểu kiến của pha khí, triệt tiêu triệt để hiện tượng phân tỏa ngón tay trong các đới nứt nẻ.
• Tích hợp mô hình ghép nối Địa cơ học - Thủy nhiệt động lực học (Coupled Thermo-Hydro-Mechanical-Chemical Modeling) để đánh giá rủi ro trượt đứt gãy và biến dạng vỉa khi thay đổi áp suất chu kỳ.
• Thử nghiệm giải pháp hỗn hợp khí $CO_2$ - Hydrocarbon nhằm đón đầu xu thế thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS) ngoài khơi Việt Nam.

Tác động và ảnh hưởng

• Tác động học thuật: Kết quả nghiên cứu cốt lõi của luận án đã được báo cáo và công bố tại Hội thảo Khoa học Quốc tế "Khoa học Trái đất và Tài nguyên Bền vững" (ERSD), được giới chuyên môn quốc tế và trong nước đánh giá cao về tính học thuật chặt chẽ. Ước tính công trình mở ra hướng trích dẫn quan trọng cho các nghiên cứu EOR vùng Đông Nam Á.
• Tác động công nghiệp: Định hình trực tiếp kế hoạch thử nghiệm mỏ (Pilot Test) cho khu vực Tây Nam tầng Mioxen mỏ Sư Tử Đen, mở ra tiềm năng áp dụng đại trà cho các mỏ lân cận trong bể Cửu Long như Sư Tử Trắng, Rạng Đông, Bạch Hổ, Tê Giác Trắng.
• Tác động kinh tế xã hội: Việc gia tăng thành công chỉ $1,5%$ hệ số thu hồi tại tầng Mioxen mỏ Sư Tử Đen tương đương với việc khai thác thêm hàng triệu tấn dầu thương phẩm, mang lại nguồn thu ngân sách hàng trăm triệu USD mà không phải chịu rủi ro và chi phí khoan thăm dò mỏ mới.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh & Nhà khoa học chuyên ngành: Tiếp cận khung phương pháp chuẩn mực về hiệu chỉnh EOS 9 cấu tử, khử phân tán số học 1D Slimtube và thuật toán MMP đa tiếp xúc C/V.
• Kỹ sư công nghệ mỏ & Trưởng bộ phận khai thác (Reservoir Engineers): Sở hữu bộ thông số thiết kế WAG đã được tối ưu hóa (tỷ lệ $1:1$, slug size $5-10%\text{ PV}$) để áp dụng trực tiếp cho giếng khai thác.
• Lãnh đạo các công ty dầu khí (PVN, PVEP, Vietsovpetro, Cuu Long JOC): Có căn cứ khoa học vững chắc để phê duyệt báo cáo Kế hoạch Phát triển Mỏ (FDP) bổ sung và phân bổ vốn đầu tư công nghệ EOR.
• Cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Công Thương, Cục Dầu khí): Có cơ sở dữ liệu thực tiễn để ban hành các quy chế khai thác tài nguyên hiệu quả, chống lãng phí dầu tồn đọng dưới lòng đất.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào? Trả lời: Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất là việc mở rộng Lý thuyết Hòa trộn Đa tiếp xúc Ngưng tụ/Hóa hơi (C/V MCM Theory) của Zick (1986) và Whitson (2000) vào hệ dầu nhẹ có gradient áp suất bão hòa biến thiên mạnh theo chiều sâu tại thềm lục địa Nam Việt Nam. Luận án đã xây dựng mô hình tích hợp GCE-MMP giải thích được cơ chế dịch chuyển đồng thời của cả pha ngưng tụ cấu tử trung gian từ khí và pha bay hơi cấu tử nặng từ dầu, chứng minh MMP là một hàm động lực biến thiên theo chiều sâu thay vì là một điểm tĩnh đơn lẻ.

2. Điểm đột phá về phương pháp luận nghiên cứu khi so sánh với ít nhất 2 công trình quốc tế? Trả lời: So với công trình của McGuire et al. (2001) tại Prudhoe Bay (chỉ dùng mô phỏng thống kê khối) và Samsudin et al. (2012) tại Malaysia (sử dụng EOS đơn giản hóa), luận án đã tạo bước đột phá khi thực hiện quy trình 4 cấp độ: Hiệu chỉnh mô hình nhiệt động học 9 cấu tử giả định bằng PR/SRK và LBC $\rightarrow$ Khử hoàn toàn sai số phân tán số học trên mô phỏng 1D Slimtube với $N = 5.000$ ô lưới ($\Delta x = 0,61\text{ m}$) $\rightarrow$ Đối chiếu kiểm chứng chéo với thí nghiệm vật lý Slimtube $\rightarrow$ Đưa trực tiếp vào mô hình mô phỏng thủy động lực học 3D toàn mỏ có xét đến dị hướng $K_v/K_h$.

3. Phát hiện bất ngờ (counter-intuitive) nhất từ dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng là gì? Trả lời: Phát hiện bất ngờ nhất là tính bất đồng nhất phân lớp với tỷ số thấm đứng cực nhỏ ($K_v/K_h = 0,01$) và sự phân bố tập thấm cao ở đáy vỉa lại tạo ra hiệu quả thu hồi dầu vượt trội hơn vỉa đồng nhất. Lực cản thấm đứng đã làm chậm quá trình tách lớp trọng lực của khí lên nóc vỉa, trong khi nước ép xen kẽ đã ép khí lan tỏa sang các kênh rỗng nhỏ, tạo hiệu ứng quét vi mô $E_d$ tăng $14%$ và hệ số quét thể tích $E_v$ tăng $21%$ so với kỳ vọng lý thuyết một pha.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lập (Replication Protocol) hoàn chỉnh không? Trả lời: Có. Luận án cung cấp bộ quy trình 9 bước hoàn chỉnh có khả năng tái lập 100%: từ phương pháp phân tích thành phần sắc ký khí đáy giếng, quy trình thí nghiệm mở rộng PVT, bảng thông số hồi quy 9 cấu tử giả định (nhiệt độ tới hạn $T_c$, áp suất tới hạn $P_c$, hệ số không tâm $\omega$, tham số tương tác nhị phân $BIP$), tiêu chí thiết lập ô lưới mô phỏng $1\text{D}$, đến thuật toán phân bổ tỷ lệ WAG trên mô hình Eclipse 300 / CMG-GEM.

5. Chương trình nghị sự nghiên cứu 10 năm (10-year Research Agenda) được phác thảo như thế nào? Trả lời: Chương trình 10 năm được chia làm 3 giai đoạn: (1) Giai đoạn 2024 - 2026: Triển khai thử nghiệm WAG quy mô Pilot tại cụm giếng Tây Nam tầng Mioxen mỏ Sư Tử Đen; (2) Giai đoạn 2026 - 2030: Mở rộng WAG toàn mỏ Sư Tử Đen và chuyển giao công nghệ sang các mỏ lân cận thuộc Lô 15-1, Lô 15-2 và Lô 09-1; (3) Giai đoạn 2030 - 2035: Tích hợp công nghệ thu gom lưu trữ $CO_2$ ngoài khơi (Offshore CCUS) kết hợp bơm ép WAG khí hỗn hợp $CO_2 - \text{Hydrocarbon}$ hướng tới mục tiêu Net-Zero của ngành Dầu khí Việt Nam.

Kết luận

1. Luận án đã giải quyết thành công bài toán khoa học kỹ thuật cấp thiết bậc nhất của ngành dầu khí Việt Nam: Làm sáng tỏ cơ chế nhiệt động học và xác lập phương pháp luận ứng dụng công nghệ bơm ép luân phiên nước - khí Hydrocarbon (WAG) nâng cao hệ số thu hồi dầu cho tầng cát kết Mioxen bể Cửu Long.
2. Xác định chính xác bản chất cơ chế hòa trộn đa tiếp xúc là ngưng tụ/hóa hơi kết hợp (C/V drive), xây dựng thành công mô hình dự báo áp suất trộn lẫn tối thiểu (MMP) biến thiên theo chiều sâu vỉa thông qua mô hình nhiệt động lực học 9 cấu tử giả định đã khử hoàn toàn phân tán số học.
3. Chứng minh quy luật tác động của tính bất đồng nhất vỉa chứa, trong đó tỷ số thấm đứng $K_v/K_h$ thấp và cấu trúc phân lớp tập thấm cao dưới đáy có tác dụng ngăn ngừa phân tầng trọng lực, nâng cao đáng kể hệ số quét thể tích của chất lưu bơm ép.
4. Xác lập bộ thông số thiết kế công nghệ tối ưu cho mỏ Sư Tử Đen với tỷ lệ nước:khí WAG là $1:1$, kích thước nút khí $5% - 10%\text{ PV}$, khẳng định tính khả thi vượt trội của phương án bơm ép gần trộn lẫn cả về mặt kỹ thuật lẫn hiệu quả kinh tế mỏ.
5. Mở ra 3 hướng nghiên cứu ứng dụng mũi nhọn tiếp theo cho thềm lục địa Việt Nam: WAG hỗ trợ bọt hoạt tính (FAWAG), mô hình ghép nối địa cơ học - nhiệt động lực học nứt nẻ, và công nghệ bơm ép CCUS khí hỗn hợp.
6. Giá trị khoa học và thực tiễn của công trình là nền tảng vững chắc phục vụ trực tiếp cho chiến lược phát triển tài nguyên bền vững, hiện thực hóa mục tiêu tận thu 70% lượng dầu còn tồn đọng tại các mỏ chủ lực ngoài khơi Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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) 𝐴𝑃 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.