Tổng quan nghiên cứu

Mỏ dầu Nam Rồng - Đồi Mồi giữ vị trí chiến lược đặc biệt quan trọng trong cơ cấu khai thác năng lượng của Việt Nam, cung cấp sản lượng bình quân khoảng 280.000 tấn dầu thô mỗi năm cho nền kinh tế quốc dân. Mỏ tọa lạc trong phạm vi hai Lô 09.3 thuộc thềm lục địa phía Nam, cách thành phố Vũng Tàu khoảng 135 km về phía Đông Nam với độ sâu mực nước biển dao động từ 45 m đến 50 m. Thân dầu chính của mỏ được lưu chứa trong tầng đá móng kết tinh nứt nẻ trước Kainozoi ở độ sâu tuyệt đối từ âm 3.262 m đến âm 4.256 m.

Công trình khai thác thử công nghiệp chính thức vận hành từ tháng 1 năm 2010 với tổng số 13 giếng hoạt động phân bổ trên hai giàn đầu giếng gồm RC-DM và RC-4. Theo thiết kế khai thác ban đầu, hàm lượng nước trung bình trong sản phẩm dự kiến duy trì ở mức tối thiểu dưới 1% cho đến năm thứ 7 và chỉ đạt khoảng 2% đến 3% sau 3 năm đầu. Tuy nhiên, diễn biến khai thác thực tế ghi nhận hiện tượng ngập nước xuất hiện sớm và gia tăng nhanh chóng tại 9 trên tổng số 13 giếng khai thác. Chỉ sau một năm hoạt động, tỷ lệ ngập nước trung bình toàn mỏ đã vượt mức 30%, trong đó một số giếng chạm mốc ngập nước nghiêm trọng từ 52% đến 90%. Áp suất vỉa ban đầu khoảng 400 atm tại độ sâu âm 3.950 m suy giảm nhanh chóng xuống dưới mức áp suất thủy tĩnh do năng lượng tự nhiên bị cạn kiệt mà chưa có hệ thống bơm ép bù áp.

Thực trạng này làm suy giảm sản lượng dầu nhanh chóng theo từng tháng, đe dọa trực tiếp đến tuổi thọ kinh tế của mỏ. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là khảo sát, phân tích toàn diện cấu trúc địa chất, đặc trưng thủy động lực học để xác định chính xác nguyên nhân ngập nước, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật công nghệ như tối ưu hóa chế độ gaslift, trám xi măng cách ly nước và chuyển đổi hệ thống bơm ép nước nhằm duy trì áp suất vỉa, nâng cao hệ số thu hồi dầu cuối cùng cho mỏ Nam Rồng - Đồi Mồi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết dòng chảy chất lưu trong môi trường rỗng - nứt nẻ kép kết hợp với cơ học vỉa dầu khí hiện đại. Trong mô hình đá móng nứt nẻ, hệ thống chất lưu được kiểm soát bởi hai không gian chính: mạng lưới nứt nẻ vĩ mô đóng vai trò là kênh dẫn lưu thông chính và các vi nứt nẻ hoặc lỗ hổng thứ sinh đóng vai trò chứa tích chất lưu. Tỷ lệ thể tích rỗng mở của đá móng plutoni - diorit tại mỏ đạt trung bình 3,19%, trong đó độ rỗng nứt nẻ chiếm 2,24% và độ rỗng lỗ hổng chiếm 0,95%. Độ rỗng của phức hệ đá biến chất gneis dao động từ 0,8% đến 2,8% với giá trị trung bình 1,58%.

Lý thuyết cơ học nâng nhân tạo bằng khí nén cao áp được ứng dụng để đánh giá hiệu quả của hệ thống gaslift liên tục và gaslift chu kỳ. Cơ chế gaslift liên tục dựa trên việc hòa trộn khí cao áp vào cột chất lỏng để giảm tỷ trọng hỗn hợp, tạo chênh áp cần thiết kích thích dòng chảy từ vỉa vào đáy giếng. Lý thuyết ngập nước tầng nứt nẻ phân tích hiện tượng hình thành nón nước và lưỡi nước đáy di chuyển theo các đới đứt gãy kiến tạo dưới tác động của chênh áp khai thác vượt ngưỡng giới hạn. Các khái niệm cốt lõi bao gồm: hệ số dị thường áp suất vỉa Ka biến thiên từ 0,820 đến 1,432; gradien địa nhiệt trung bình từ 2,863 độ C/100m đến 2,984 độ C/100m; chỉ số ngập nước biểu thị tỷ lệ phần trăm thể tích nước trong tổng chất lưu; và hệ thống phân loại nước vỉa theo phương pháp Sulin xác định nguồn gốc nước ngầm thuộc nhóm Clorua - Canxi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của công trình được tổng hợp từ 62 mẫu nước thu thập tại mỏ tính đến tháng 1 năm 2013, bao gồm 61 mẫu tại tầng móng với 18 mẫu nước vỉa tự nhiên và 44 mẫu nước kỹ thuật hoặc dịch lọc dung dịch khoan. Dữ liệu thử vỉa được thực hiện trên 15 giếng khoan thăm dò và khai thác với 27 đối tượng thử nghiệm trong tầng móng ở khoảng chiều sâu tuyệt đối từ âm 3.514 m đến âm 4.420 m. Phương pháp chọn mẫu phân tầng theo không gian địa chất được áp dụng nhằm bao quát toàn bộ 3 khối kiến tạo chính gồm Khối A, Khối B và Khối C, giúp loại trừ sai số do sự phân dị của các đới đứt gãy.

Phương pháp phân tích thủy động lực học giếng khoan ở chế độ không ổn định sử dụng phương pháp đường cong phục hồi áp suất PBU được minh giải thông qua phần mềm chuyên dụng Weltest của Schlumberger. Lý do lựa chọn phương pháp này nhằm xác định chính xác các tham số động lực vỉa như độ thấm hiệu dụng của vùng rìa đạt từ 1 mD đến 6 mD, vùng nứt nẻ mạnh đạt 15 mD đến 20 mD, cùng hệ số Skin mang giá trị âm minh chứng cho vùng cận đáy giếng có độ thông rửa tốt. Đồng thời, phương pháp đo địa vật lý khai thác phân bố dòng chất lưu PLT và MPLT được tiến hành đa thời kỳ từ năm 2006 đến năm 2012 để bóc tách chính xác các khoảng sinh dầu và các đới xuất hiện nước dọc theo chiều sâu thân trần giếng khoan.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số liệu khai thác thực tế giai đoạn 2010 đến 2013 đã chỉ ra bốn phát hiện kỹ thuật cốt lõi:

Thứ nhất, áp suất vỉa của tầng móng suy giảm nhanh chóng do cơ chế khai thác tự nhiên thiếu hụt năng lượng bù đắp. Áp suất vỉa ban đầu xác lập ở mức 400 atm tại độ sâu âm 3.950 m, ngang bằng áp suất thủy tĩnh. Sau 3 năm vận hành, áp suất vỉa tại giếng 3X giảm mạnh nhất lên tới 157 atm; các giếng 2X, 25, 420 và 405 ghi nhận mức suy giảm áp suất tương ứng là 91 atm, 79 atm, 76 atm và 80 atm. Động thái này khẳng định vùng nước đáy có tính linh động tự nhiên thấp, không đủ khả năng bù đắp thể tích chất lưu đã khai thác.

Thứ hai, mức độ ngập nước diễn ra không đồng đều nhưng có tốc độ tăng trưởng phi mã ở phần lớn quỹ giếng. Trong số 13 giếng khai thác, có 9 giếng bị ngập nước sớm ngay từ năm đầu tiên. Điển hình tại giếng 406, lưu lượng dầu tụt giảm từ 61 tấn/ngày xuống còn 18 tấn/ngày trong khi độ ngập nước tăng vọt lên 90%. Giếng 25 ghi nhận độ ngập nước 69% với lưu lượng dầu chỉ còn 43 tấn/ngày. Giếng 410 đưa vào hoạt động năm 2012 cũng nhanh chóng ngập nước tới 52%, sản lượng dầu giảm từ 116 tấn/ngày xuống 42 tấn/ngày. Ngược lại, nhóm giếng 20, 422 và 424 duy trì độ ngập nước thấp từ 0% đến 4% với lưu lượng dầu đạt từ 61 đến 218 tấn/ngày.

Thứ ba, cấu trúc thạch học và địa hóa nước vỉa có tính bất đồng nhất rất cao. Độ khoáng hóa chung của nước tầng móng tăng dần từ Tây sang Đông, biến thiên từ 9,2 g/l tại giếng 410 lên 37,44 g/l tại giếng 422. Lưu lượng thử dòng ban đầu giữa các giếng có sự chênh lệch cực lớn, dao động từ 0,7 m3/ngày đến 700 m3/ngày, phản ánh mạng lưới nứt nẻ phân bố cục bộ theo các đới đứt gãy kiến tạo chính f-I và f-II.

Thứ tư, cơ chế ngập nước được xác định do hai nhóm nguyên nhân chủ đạo: sự hình thành lưỡi nước đáy xâm nhập theo các kênh dẫn nứt nẻ tự nhiên dưới áp lực chênh áp đáy cao từ 48 atm đến 153 atm tại các giếng 2X, 25, 408, 420; và hiện tượng rò rỉ chất lưu ngoài ống chống hoặc chất lượng trám xi măng cách ly kém tại các giếng 405, 406, 421 khi tỷ phần nước biến động đột ngột từ 3% đến 50%.

Thảo luận kết quả

Các kết quả nghiên cứu cho thấy sự mâu thuẫn rõ rệt giữa mô hình dự báo thiết kế ban đầu và thực tế khai thác vỉa đá móng. Nguyên nhân sâu xa là việc áp dụng chế độ khai thác gaslift liên tục với lưu lượng khai thác tối đa ngay từ giai đoạn đầu đã tạo ra phễu giảm áp sâu xung quanh đáy giếng. Khi chênh áp khai thác vượt quá ngưỡng chịu tải của vỉa, nước đáy dễ dàng di chuyển nhanh dọc theo các khe nứt mở hướng dốc từ 30 độ đến 70 độ để đột phá vào thân giếng.

Trên các biểu đồ động thái khai thác chất lưu và đường cong chỉ số nước - dầu theo thời gian, mối quan hệ giữa lưu lượng khai thác và tốc độ ngập nước thể hiện rõ tính chất phi tuyến. Kết quả đo carota mặt cắt dòng PLT cho thấy sự phân tầng rõ rệt: các khoảng cho dầu tập trung ở phần trên của nóc móng từ âm 3.370 m đến âm 3.895 m, trong khi các đới cho nước xuất hiện dày đặc ở chiều sâu dưới âm 4.030 m đến âm 4.104 m. Mặt ranh giới dầu - nước hiện tại bị biến dạng nghiêm trọng, tạo nên mức chênh lệch chiều sâu ngập nước hơn 100 m giữa các giếng liền kề trong cùng một khối cấu trúc.

So sánh với các mỏ lân cận trong bồn trũng Cửu Long, đặc tính ngập nước của mỏ Nam Rồng - Đồi Mồi có nét tương đồng với mỏ Sư Tử Đen - nơi giếng khai thác bị ngập nước 100% chỉ sau vài tháng do bơm ép không kiểm soát, nhưng khác biệt với mỏ Bạch Hổ - nơi hệ thống duy trì áp suất vỉa đạt hiệu quả cao nhờ thể tích thân dầu móng liên thông đồng nhất hơn. Điều này khẳng định mỏ Nam Rồng - Đồi Mồi không thể tiếp tục khai thác đơn thuần bằng chế độ tự nhiên mà bắt buộc phải có can thiệp công nghệ chuyên biệt.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu đặc trưng ngập nước và thủy động lực học, bốn nhóm giải pháp kỹ thuật được đề xuất nhằm tối ưu hóa khai thác và gia tăng thu hồi dầu cho mỏ Nam Rồng - Đồi Mồi:

Thứ nhất, thực hiện chuyển đổi phương thức khai thác từ Gaslift liên tục sang Gaslift chu kỳ cho các giếng có sản lượng chất lưu thấp và độ ngập nước cao. Điển hình tại giếng 2X với lưu lượng chất lưu 338 m3/ngày, độ ngập nước 48% và tiêu hao 26.000 m3 khí nén/ngày, việc áp dụng gaslift chu kỳ sẽ tạo thời gian ngưng cần thiết để áp suất đáy phục hồi, nâng cao cột chất lỏng tĩnh và giảm thiểu sự xâm nhập của nước đáy. Thời gian thực hiện chuyển đổi kỹ thuật từ quý I đến quý II năm 2014, mục tiêu tiết giảm 25% lượng khí nén sử dụng và duy trì sản lượng dầu ổn định trên 150 tấn/ngày do Xí nghiệp Khai thác Dầu khí Vietsovpetro chủ trì.

Thứ hai, thi công sửa chữa giếng, đổ cầu xi măng ngăn cách nước tầng dưới và chuyển khoảng khai thác lên vùng nóc móng có chất lượng chứa tốt. Áp dụng ngay cho các giếng 405 và 406 nhằm cách ly hoàn toàn các khoảng nứt nẻ sâu dưới âm 4.104 m, chuyển vỉa lên đoạn chiều sâu âm 3.456 m đến âm 3.805 m. Thời gian triển khai trong vòng 6 tháng, đặt mục tiêu hạ thấp độ ngập nước của giếng 406 từ 90% xuống dưới 35%, do Viện Nghiên cứu Khoa học và Thiết kế Dầu khí biển NIPI phối hợp Ban Quản lý mỏ thực hiện.

Thứ ba, triển khai hệ thống bơm ép nước duy trì áp suất vỉa thông qua việc chuyển đổi các giếng khai thác ở vùng rìa cấu trúc đã cạn kiệt dầu thành giếng bơm ép. Cụ thể chuyển đổi giếng 406 và giếng 420 thành giếng bơm ép nước đáy, kết nối đồng bộ vào hệ thống bơm ép nước trung tâm của mỏ Bạch Hổ lân cận. Kế hoạch bơm ép giai đoạn 2014 đến 2015 hướng tới mục tiêu nâng áp suất vỉa toàn mỏ từ mức 300 atm hiện tại lên trên 360 atm, tạo năng lượng đẩy dầu dồn về vùng đỉnh vòm khối nâng, do Liên doanh Vietsovpetro và Tổng công ty Thăm dò Khai thác Dầu khí PVEP đồng triển khai.

Thứ tư, thiết lập quy trình kiểm soát chế độ chênh áp khai thác tối ưu không vượt quá 50 atm đối với các giếng mới đưa vào vận hành. Tránh thay đổi lưu lượng đột ngột gây hiện tượng hút nước cục bộ, định kỳ 3 tháng một lần tiến hành đo áp suất đáy và khảo sát PLT để theo dõi chặt chẽ sự dịch chuyển của ranh giới dầu - nước, do Phòng Địa chất và Thủy địa lực mỏ chịu trách nhiệm giám sát thường xuyên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc cho bốn nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là các Kỹ sư công nghệ khai thác và Kỹ sư thủy động lực học mỏ dầu khí. Nghiên cứu cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tính toán, thiết kế chuyển đổi chế độ khai thác gaslift chu kỳ, phương pháp minh giải đường cong phục hồi áp suất KVD bằng phần mềm Weltest và giải pháp cách ly nước cơ học cho các giếng nứt nẻ phức tạp.

Nhóm thứ hai là các Chuyên gia địa chất dầu khí và Mô hình hóa vỉa chứa. Luận văn cung cấp tập dữ liệu thực tế về 62 mẫu nước vỉa theo phân loại Sulin, đặc tính thạch học lát mỏng diorit, độ rỗng nứt nẻ 2,24% và bản đồ phân bố các đứt gãy kiến tạo bậc ba, bậc bốn tại cấu tạo Nam Rồng - Đồi Mồi thuộc bồn trũng Cửu Long.

Nhóm thứ ba là Cán bộ quản lý kỹ thuật, Quản trị dự án phát triển mỏ tại các công ty dầu khí như Vietsovpetro, PVEP, PVN và các nhà điều hành dầu khí quốc tế. Nghiên cứu mang đến bài học thực tiễn giá trị về chiến lược quản lý mỏ giai đoạn ngập nước sớm, giải pháp chuyển đổi giếng khai thác ngập nước thành giếng bơm ép duy trì áp suất và đánh giá hiệu quả kinh tế đời mỏ.

Nhóm thứ tư là Giảng viên, Nghiên cứu sinh và Học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Khoan - Khai thác Dầu khí, Địa chất Dầu khí tại các trường đại học kỹ thuật. Đây là tài liệu giảng dạy và học tập chuyên sâu, minh họa sinh động cho sự kết hợp giữa lý thuyết cơ học chất lưu ngầm và xử lý số liệu khai thác thực địa.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân chính khiến các giếng tại mỏ Nam Rồng - Đồi Mồi bị ngập nước sớm hơn nhiều so với dự báo thiết kế ban đầu là gì?

Hiện tượng ngập nước sớm tại 9 trên 13 giếng xuất phát từ việc áp suất vỉa ban đầu chỉ đạt 400 atm, tương đương áp suất thủy tĩnh và suy giảm nhanh do thiếu hụt năng lượng tự nhiên. Việc khai thác bằng gaslift liên tục tạo chênh áp lớn từ 48 atm đến 153 atm đã kích thích nước vỉa xâm nhập nhanh theo các kênh nứt nẻ và đứt gãy tự nhiên.

Đặc trưng hóa học của nước vỉa trong tầng móng mỏ Nam Rồng - Đồi Mồi có điểm gì đặc biệt?

Kết quả phân tích 62 mẫu nước cho thấy độ khoáng hóa chung tăng dần từ Tây sang Đông, dao động từ 9,2 g/l tại giếng 410 đến 37,44 g/l tại giếng 422. Nước vỉa thuộc loại Clorua - Canxi theo bảng phân loại Sulin với hàm lượng Canxi cao từ 865 mg/l đến 2.298 mg/l, phản ánh sự liên thông thủy lực phức tạp giữa các đới đứt gãy.

Tại sao giải pháp khai thác Gaslift chu kỳ lại phù hợp với điều kiện mỏ Nam Rồng - Đồi Mồi hơn Gaslift liên tục?

Khai thác gaslift chu kỳ cho phép giếng có khoảng thời gian dừng định kỳ để áp suất đáy tự phục hồi, đưa cột chất lỏng tĩnh dâng cao và giảm chênh áp đột ngột tại vùng cận đáy. Phương pháp này giúp khống chế hiện tượng kéo lưỡi nước đáy, đồng thời tiết kiệm đáng kể lượng khí nén cao áp cấp từ bề mặt.

Phương pháp khảo sát địa vật lý mặt cắt dòng PLT đóng góp vai trò gì trong việc xử lý ngập nước tại các giếng?

Phương pháp PLT giúp bóc tách chính xác các đới cho dầu ở phần nóc móng từ âm 3.370 m đến âm 3.895 m và các đới sinh nước ở chiều sâu dưới âm 4.030 m. Dữ liệu này là căn cứ kỹ thuật quyết định để tiến hành trám xi măng cách ly nước tầng dưới thành công tại giếng 405 và 406.

Kế hoạch bơm ép nước duy trì áp suất vỉa tại mỏ Nam Rồng - Đồi Mồi được định hướng triển khai ra sao?

Nghiên cứu đề xuất chuyển đổi các giếng khai thác ngập nước ở vùng rìa cấu trúc như giếng 406 và giếng 420 thành giếng bơm ép. Nguồn nước bơm ép được kết nối từ hệ thống bơm ép trung tâm mỏ Bạch Hổ lân cận nhằm nâng áp suất vỉa lên trên 360 atm, đẩy dầu dồn về các giếng khai thác đỉnh vòm.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu khoa học và thực tiễn đề ra thông qua các đóng góp nổi bật:

  • Xác lập bức tranh địa chất - thủy động lực học chi tiết của tầng móng mỏ Nam Rồng - Đồi Mồi với độ rỗng nứt nẻ trung bình 2,24%, độ rỗng lỗ hổng 0,95% và áp suất vỉa ban đầu xấp xỉ 400 atm tại độ sâu âm 3.950 m.
  • Xác định chính xác hai cơ chế ngập nước chính là sự xâm nhập lưỡi nước đáy theo các đứt gãy kiến tạo dưới chênh áp cao và hiện tượng rò rỉ cơ học qua ống chống hoặc cầu xi măng cách ly kém tại 9 giếng khai thác.
  • Phân tích và minh giải thành công tập dữ liệu 62 mẫu nước và 27 đối tượng thử vỉa, chỉ ra quy luật biến thiên độ khoáng hóa nước từ 9,2 g/l đến 37,44 g/l từ Tây sang Đông theo phân loại Sulin.
  • Đề xuất tổ hợp giải pháp công nghệ gồm chuyển đổi Gaslift chu kỳ cho giếng 2X, đổ cầu xi măng hạ độ ngập nước giếng 405 và 406 xuống dưới 35%, cùng quy trình kiểm soát chênh áp đáy dưới 50 atm.
  • Xây dựng phương án kết nối chuyển đổi giếng 406 và 420 thành hệ thống bơm ép nước duy trì năng lượng vỉa đồng bộ với mỏ Bạch Hổ trong lộ trình phát triển mỏ giai đoạn tiếp theo.

Các phát hiện và đề xuất kỹ thuật của luận văn là cơ sở thực tiễn quan trọng giúp các đơn vị quản lý và vận hành mỏ dầu khí tối ưu hóa quy trình khai thác tầng móng nứt nẻ. Các doanh nghiệp và kỹ sư công nghệ dầu khí nên tham khảo, áp dụng ngay các giải pháp kỹ thuật này nhằm ngăn chặn nguy cơ ngập nước sớm và nâng cao tối đa hiệu quả thu hồi dầu thô.