MỞ ĐẦU Nằm trong 02 lô dầu khí 05-2 và 05-3 thuộc bể Nam Côn Sơn, thềm lục địa Việt Nam, Hải Thạch (HT) - Mộc Tinh (MT) thuộc dự án Biển Đông 1 là một trong những cụm mỏ dầu khí xa bờ - cách Vũng Tàu 320 km về phía Đông Nam, với độ sâu dưới mực nước biển từ 118 đến 145m và có cấu tạo địa chất rất phức tạp. Đây là vùng bất thường áp suất lớn, nhiệt độ vỉa rất cao (nhiệt độ ở đáy giếng lên đến 187oC và áp suất vượt ngưỡng 898atm). Đây cũng là dự án có quy mô lớn nhất từ trước tới nay tại Việt Nam, với tổng khối lượng kết cấu lên tới hơn 70 nghìn tấn, đòi hỏi các tiêu chuẩn hết sức ngặt nghèo về kỹ thuật - công nghệ. Sau hơn 14 năm kể từ khi thành lập vào ngày 26/02/2009, và sau 10 năm kể từ khi khai thác dòng dầu khí thương mại đầu tiên tại mỏ HT-MT (6/9/2013), đến nay (31/09/2022), Chi nhánh Tập đoàn Dầu khí Việt Nam - Công ty Điều hành Dầu khí Biển Đông (Biển Đông POC) đã khai thác an toàn, liên tục, hiệu quả hơn 16,29 tỷ m3 khí, hơn 26,2 triệu thùng condensate và doanh thu lũy kế đạt hơn 4 tỷ 405 triệu đô la Mỹ, nộp ngân sách Nhà nước hơn 1,16 tỷ đô la Mỹ [1].
Dự án đã bổ sung khoảng 2 tỷ m3 khí một năm cho các nhà máy điện - đạm tại khu vực Đông Nam Bộ. Doanh thu trước thuế của dự án mang lại ước đạt hơn 11,5 tỷ đô la Mỹ, thuế nộp cho nhà nước ước đạt hơn 1,7 tỷ đô la Mỹ và lợi nhuận sau thuế ước đạt hơn 4,6 tỷ đô la Mỹ. Việc vận hành và khai thác hiệu quả hai mỏ khí - condensate Hải Thạch và Mộc Tinh đã và đang đem lại những lợi ích kinh tế và xã hội to lớn cho đất nước, góp phần quan trọng đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia. Có thể thấy, ở Việt Nam, việc tìm kiếm, thăm dò và khai thác các mỏ dầu khí (đặc biệt là mỏ khí và condensate) theo cách tiếp cận truyền thống lâu nay đã đến giới hạn biên của việc mang lại hiệu quả kinh tế, đòi hỏi chúng ta phải nghiên cứu, áp dụng những công nghệ hiện đại, phi truyền thống nhằm nâng cao hiệu quả quản trị và khai thác mỏ.
Ý thức được vấn đề này, Biển Đông POC đã quan tâm và triển khai các nghiên cứu để ứng dụng các thành tựu công nghệ mới, tiên tiến, hiện đại nhằm tối ưu hóa chi phí, tăng cường tối đa lượng dầu khí thu hồi, nâng cao hiệu quả khai luan an 14 thác và xử lý tại mỏ Hải Thạch - Mộc Tinh. Đây cũng là mục tiêu, nhiệm vụ hàng đầu đối với công ty trong thời gian tới. Tính cấp thiết của đề tài Thế giới phát triển không ngừng kéo theo nhu cầu năng lượng ngày càng tăng cao. Hiện nay, các nguồn năng lượng mới, tái tạo đang được nghiên cứu và phát triển.
Nhưng các nguồn năng lượng hóa thạch đặc biệt là dầu mỏ và khí tự nhiên vẫn là nguồn năng lượng chính của thế giới. Tuy nhiên, dầu mỏ và khí tự nhiên là nguồn tài nguyên có hạn, trữ lượng dầu, khí của các cấu tạo dầu khí giảm dần theo thời gian khai thác. Vì vậy, nâng cao hiệu quả tìm kiếm thăm dò các cấu tạo mới, nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí khai thác và nâng cao hệ số thu hồi dầu khí ở giai đoạn suy giảm năng lượng mỏ luôn là mục tiêu chiến lược và nhiệm vụ sống còn đối với các doanh nghiệp dầu khí. Có thể thấy, hiện nay phần lớn các mỏ dầu khí đang khai thác ở nước ta được đưa vào khai thác trong giai đoạn từ năm 1986 đến năm 2015 [2].
Trong đó, các mỏ có đóng góp sản lượng lớn đều đã khai thác được 15 - 35 năm, đang ở giai đoạn khai thác cuối đời mỏ, độ ngập nước cao và tiếp tục tăng theo thời gian. Độ ngập nước trung bình của các mỏ này hiện ở mức 50 - 90%, dẫn đến sản lượng suy giảm tự nhiên 15 - 25%/năm. Trong khi đó việc đầu tư phát triển mỏ mới gặp nhiều khó khăn. Việc tìm kiếm, thăm dò và khai thác các mỏ dầu khí (đặc biệt là mỏ khí và condensate) theo cách tiếp cận truyền thống lâu nay đã đến giới hạn biên của việc mang lại hiệu quả kinh tế, đòi hỏi chúng ta phải nghiên cứu, áp dụng những công nghệ hiện đại, phi truyền thống nhằm nâng cao hiệu quả quản trị và khai thác mỏ dầu khí.
Ngành khai thác dầu khí mang nhiều yếu tố đặc thù và đòi hỏi hàm lượng cao về khoa học kỹ thuật. Mọi quyết định từ tìm kiếm thăm dò đến khai thác, xử lý các biến cố trong quá trình khai thác đều dựa trên phân tích các dữ liệu lịch sử thu thập được từ nhiều nguồn và phụ thuộc rất lớn vào kinh nghiệm của chuyên gia. Trong vòng đời của một mỏ dầu khí, từ khi khảo sát thăm dò cho đến khi vận hành khai thác, hàng trăm Terabyte dữ liệu đa cấu trúc được tạo ra và chỉ một phần thông tin luan an 15 trong số dữ liệu đó được sử dụng. Công nghệ xử lý số liệu thông minh với các thuật toán trí tuệ nhân tạo có khả năng phân tích và khai phá khối dữ liệu khổng lồ thu thập được, sẽ giúp các công ty điều hành dầu khí tìm ra các mối quan hệ ẩn giữa các lớp thông tin vận hành sản xuất, xây dựng các mô hình dự báo và đánh giá.
Qua đó hỗ trợ việc đưa ra các quyết định một cách chính xác, hiệu quả và khách quan hơn. So với các nước Bắc Âu, Mỹ, Nga và Iran đã có lịch sử hình thành và phát triển công nghệ khai thác, xử lí và truyền tải khí tự nhiên thì Việt Nam vẫn còn khá non trẻ. Số lượng nghiên cứu và bài báo khoa học của Việt Nam trong lĩnh vực xử lí khí tự nhiên còn rất hạn chế. Mặc dù vậy, xu hướng chuyển dịch từ khai thác dầu sang khai thác khí tự nhiên tại Việt Nam là tất yếu khi các mỏ dầu ở gần bờ đã gần cạn kiệt.
Vì vậy việc nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ xử lý khí cũng như nâng cao hiệu quả của công nghệ xử lý khí đang được áp dụng tại mỏ khí condensate như của Biển Đông POC có tính cấp bách và xuất phát từ nhu cầu của thực tiễn sản xuất. Trong số các giải pháp nâng cao hiệu quả xử lý khí trên thế giới và tại Việt Nam, phân tích dữ liệu là một lĩnh vực mới nổi bao gồm việc sử dụng các thuật toán thống kê và học máy tiên tiến để khám phá thông tin và mối quan hệ lịch sử và xu hướng hiện tại hiện diện trong các loại dữ liệu khác nhau [3-5]. Đây là ứng dụng dựa trên nền tảng khoa học dữ liệu, khả năng tích hợp cảm biến thông minh, mạng kết nối diện rộng và các thuật toán học máy mạnh mẽ. Vì vậy, việc nghiên cứu áp dụng công nghệ xử lý số liệu thông minh trên cơ sở áp dụng trí tuệ nhân tạo để hỗ trợ đưa ra những quyết định chính xác nhằm nâng cao hiệu quả xử lý khí đã trở thành một nhu cầu thực tế trong quá trình phát triển.
Có thể nói, cụm mỏ HT-MT là điển hình của một mỏ dầu khí với đầy đủ các đặc trưng của một dự án thăm dò khai thác dầu khí, với dữ liệu khá hoàn thiện về địa chất cùng với dữ liệu vận hành khai thác hơn 10 năm. Sau thời gian dài khai thác, các vỉa chứa đã suy giảm áp suất nên xuất hiện nhiều hiện tượng phức tạp như ngưng tụ condensate vùng cận đáy giếng (condensate banking), ngập nước, xâm nhập cát…; đồng thời, hệ thống xử lý khí trên giàn Hải Thạch, do xuống cấp cũng như lưu lượng luan an 16 khí giảm thấp, dao động mạnh, nên gặp nhiều sự cố thiết bị (máy nén khí, máy bơm bình tách, đường ống thu gom nội mỏ) làm ảnh hưởng đáng kể đến sản lượng khai thác khí condensate, tới công tác vận hành khai thác và hiệu quả xử lý khí tự nhiên tại mỏ Hải Thạch. Mặt khác, đối với các giàn khai thác khí, việc đảm bảo quá trình xử lý khí liên tục từ đầu vào từ tại các giếng khai thác đến đầu ra của tại máy nén khí, luôn là nhiệm vụ quan trọng hàng đầu. Mọi biến cố gây dừng bất kỳ cụm công nghệ nào cũng ảnh hưởng đến cả quá trình xử lý, thậm chí tạm dừng hoạt động cả giàn công nghệ.
Chính vì vậy, cần phải có một công cụ xử lý dữ liệu thông minh để theo dõi bất thường của thiết bị và dự báo thông số đầu vào của hệ thống khai thác, xử lý nhằm đưa ra các phản ứng, điều chỉnh hệ thống liên tục, chính xác và nhanh chóng. Qua đó nâng cao hiệu quả xử lý khí và khai thác mỏ HT. Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong khai thác, xử lý khí tự nhiên tại mỏ Hải Thạch là xu hướng quản trị mỏ kiểu mới, có thể giải quyết được những tồn tại mà hệ thống các phương pháp trước đây chưa giải quyết được, giúp giảm thiểu thời gian sự cố phải dừng giàn hay đóng giếng không theo kế hoạch, đảm bảo tính an toàn và vận hành liên tục của hệ thống công nghệ xử lý khí tự nhiên, qua đó nâng cao hiệu quả xử lý và khai thác mỏ HT. Đề tài “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý khí tự nhiên tại mỏ Hải Thạch” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn nhằm giải quyết các vấn đề đặt ra từ thực tế sản xuất đối với ngành dầu khí Việt Nam.
Kết quả của luận án cũng sẽ góp phần thực hiện chuyển đổi số trong ngành dầu khí, nâng cao tỉ lệ ứng dụng thành tựu CMCN 4.0 trong nền công nghiệp nước nhà, trở thành nhóm tiên phong trong lộ trình chuyển đối số Quốc gia. Mục đích nghiên cứu của luận án ▪ Nâng cao hiệu quả khai thác, xử lý khí tự nhiên tại mỏ Hải Thạch bằng phương pháp ứng dụng trí tuệ nhân tạo hỗ trợ quá trình theo dõi, liên kết số liệu khai thác, phân tích và dự báo. luan an 17 ▪ Xây dựng phương pháp mới và phù hợp nhằm dự báo sản lượng khai thác khí condensate tại mỏ HT, đảm bảo khả năng thu hồi và khai thác của từng giếng; cung cấp nguồn dữ liệu và ổn định điều kiện đầu vào của hệ thống xử lý.