Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê từ ngành năng lượng toàn cầu, có tới gần 2.2 nghìn tỉ thùng dầu thông thường cùng một lượng dầu nặng gấp đôi con số đó vẫn còn lưu giữ trong vỉa sau khi kết thúc các giai đoạn khai thác sơ cấp và thứ cấp. Tại Việt Nam, hệ thống khai thác dầu khí ngoài khơi thềm lục địa gồm 13 cụm mỏ đang đối mặt với sự suy giảm sản lượng tự nhiên rõ rệt, trong khi các phương pháp khai thác truyền thống chỉ đạt hệ số thu hồi trung bình từ 15% đến 60% tổng trữ lượng dầu ban đầu tại chỗ.

Vấn đề nghiên cứu then chốt xuất phát từ thực trạng các mỏ nhỏ và mỏ cận biên tại Bể Cửu Long thường nằm phân tán, cách xa hệ thống đường ống dẫn khí hiện hữu hàng chục kilômét. Với chi phí đầu tư đường ống xấp xỉ 1 triệu USD cho mỗi kilômét, việc xây dựng tuyến ống xuất bán lượng khí đồng hành dư thừa quy mô nhỏ sẽ gây thua lỗ nặng nề, làm triệt tiêu hiệu quả kinh tế của toàn bộ dự án khai thác mỏ. Mặt khác, việc đốt bỏ khí đồng hành ngoài khơi bị nghiêm cấm theo quy định tại Điều 4 và Điều 5 của Luật Dầu khí năm 2009 nhằm bảo vệ tài nguyên và ngăn ngừa ô nhiễm môi trường biển.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu giải pháp kỹ thuật công nghệ bơm ép tái tuần hoàn toàn bộ lượng khí đồng hành trở lại vỉa chứa, vừa loại bỏ hoàn toàn chi phí xây dựng tuyến ống xuất bán khí, vừa áp dụng cơ chế nâng cao hệ số thu hồi dầu tầng chứa Oligocene tại mỏ XX thuộc Bể Cửu Long. Nghiên cứu tập trung đánh giá các thông số nhiệt động lực học chất lưu, xây dựng mô hình mô phỏng dòng chảy đa pha và tối ưu hóa vị trí giếng khoan bơm ép. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp gia tăng sản lượng dầu khai thác từ 6.2% đến 9.4%, cắt giảm từ 25 đến 30 triệu USD chi phí đầu tư hạ tầng đường ống và đáp ứng trọn vẹn các tiêu chuẩn bảo vệ môi trường khắt khe của ngành dầu khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở khoa học của đề tài dựa trên lý thuyết nâng cao hệ số thu hồi dầu tăng cường thông qua quá trình dịch chuyển hòa tan khí. Về bản chất, cơ chế hòa tan giữa dầu và chất lưu bơm ép giúp triệt tiêu sức căng bề mặt phân cách giữa các pha, làm giảm độ nhớt chất lưu và thúc đẩy dầu thô trương nở mạnh mẽ trong môi trường rỗng.

Nghiên cứu ứng dụng hai khung lý thuyết nhiệt động lực học cốt lõi: lý thuyết hòa tan tiếp xúc ban đầu và lý thuyết hòa tan đa tiếp xúc theo cơ chế bốc hơi hoặc ngưng tụ. Trạng thái cân bằng pha của hệ chất lưu nhiều cấu tử được mô tả thông qua Quy tắc pha Gibbs và biểu đồ ba thành phần giả phân định ba nhóm cấu tử: methane, phân đoạn hydrocarbon trung gian từ carbon số 2 đến số 6 và phân đoạn hydrocarbon nặng từ carbon số 7 trở lên.

Các khái niệm chính được làm sáng tỏ gồm: áp suất trộn lẫn tối thiểu, tỷ số linh động chất lưu, hiện tượng tạo rãnh khí và độ trương nở thể tích dầu. Đối với các hệ dầu nhẹ có tỷ trọng trên 35 độ API, quá trình bơm ép khí nghèo ở điều kiện áp suất cao từ 3000 psi đến 3500 psi tạo điều kiện cho khí bơm ép hòa tan liên tục các cấu tử trung gian, từ đó hình thành một pha đồng nhất quét sạch lượng dầu sót trong vỉa.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu địa chất và công nghệ mỏ thực tế thu thập từ các giếng khoan thăm dò tại mỏ XX, bao gồm tài liệu địa chấn phản xạ 3D, kết quả đo áp suất thử vỉa và phân tích thạch học mẫu lõi. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 12 mẫu lõi đại diện được lấy từ các tầng cát kết Oligocene hạ, được lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu phân tầng ngẫu nhiên nhằm bao phủ toàn bộ dải độ rỗng từ 12% đến 18% và độ thấm tuyệt đối từ 15 mD đến 150 mD.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm ống mảnh chuyên dụng kết hợp buồng thí nghiệm áp suất nhiệt độ cao là nhằm đo đạc chính xác áp suất trộn lẫn tối thiểu với sai số dưới 5%, đóng vai trò là tham số đầu vào then chốt cho việc hiệu chỉnh phương trình trạng thái chất lưu.

Trên cơ sở dữ liệu thực nghiệm, tác giả thiết lập mô hình động số trị 3D bằng phần mềm mô phỏng công nghiệp chuyên ngành để giải hệ phương trình vi phân truyền khối đa pha phi tuyến. Quá trình mô phỏng được thực hiện từ tháng 7 năm 2011 đến tháng 1 năm 2012, khảo sát toàn diện các kịch bản bơm ép với các mức giới hạn áp suất đầu giếng từ 2000 psi đến 4000 psi và đối sánh trực tiếp với phương án khai thác cơ sở.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả thí nghiệm ống mảnh và phân tích nhiệt động chất lưu xác định giá trị áp suất trộn lẫn tối thiểu của hệ khí đồng hành và dầu thô mỏ XX đạt mức 3450 psi đến 3800 psi tại nhiệt độ vỉa 240 độ F. Điều này khẳng định khí đồng hành giàu methane chiếm trên 75% hoàn toàn có khả năng hòa tan trộn lẫn vào dầu vỉa thông qua cơ chế bốc hơi đa tiếp xúc ở điều kiện áp suất khai thác thực tế.

Thứ hai, việc mô phỏng vị trí và quỹ đạo giếng khoan chỉ ra rằng giếng bơm ép nghiêng tại vị trí số 21 mang lại hiệu quả quét thể tích vượt trội nhất. So với phương án bố trí giếng đứng tại vị trí số 11 vốn làm áp suất đáy giếng vượt ngưỡng cho phép và gây hiện tượng đột phá khí sớm sau 18 tháng, giếng khoan nghiêng giúp duy trì sản lượng khai thác ổn định và nâng sản lượng dầu cộng dồn cao hơn 8.5%.

Thứ ba, khảo sát độ nhạy áp suất đầu giếng cho thấy mức giới hạn 3000 psi là ngưỡng vận hành tối ưu nhất. Mức áp suất này đảm bảo duy trì năng lượng vỉa trên ngưỡng trộn lẫn tối thiểu, hạn chế sự cố nứt vỉa và gia tăng hệ số thu hồi dầu toàn mỏ thêm từ 6.2% đến 9.4% so với kịch bản khai thác tự nhiên không bơm ép.

Thứ tư, phân tích hiệu quả kinh tế kỹ thuật chứng minh giải pháp tái bơm ép khí đồng hành giúp tiết kiệm khoảng 28 triệu USD chi phí đường ống kết nối ngoài khơi. Dự án chuyển từ trạng thái giá trị hiện tại thuần bị âm sang phương án sinh lời cao với thời gian thu hồi vốn đầu tư rút ngắn 2.5 năm.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý dẫn đến sự gia tăng sản lượng dầu là do khí đồng hành nén áp suất cao hòa tan vào dầu vỉa làm thể tích dầu trương nở từ 15% đến 22%, đồng thời làm giảm độ nhớt của dầu từ mức 1.8 cP xuống dưới 0.9 cP. Sự suy giảm độ nhớt kết hợp với việc triệt tiêu sức căng bề mặt chất lưu giúp hạ thấp tỷ số linh động giữa pha đẩy và pha bị đẩy, hạn chế tối đa hiện tượng ngón tay nhớt và phân tỏa trọng lực.

Kết quả nghiên cứu này hoàn toàn tương đồng với các dữ liệu thực nghiệm thu hồi tăng cường tại mỏ Rạng Đông và các dự án bơm ép khí ngoài khơi Trung Đông, chứng minh hiệu quả quét vi mô của quá trình trộn lẫn khí cao hơn ít nhất 15% so với phương pháp bơm ép ngập nước truyền thống trong tầng cát kết bất đồng nhất.

Dữ liệu mô phỏng được trực quan hóa thông qua bảng so sánh tổng hợp các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật giữa các kịch bản khai thác, kết hợp với hệ thống đồ thị suy giảm sản lượng dầu khí theo thời gian và biểu đồ phân bố áp suất đáy giếng. Bên cạnh đó, bản đồ đẳng bão hòa khí 3D thể hiện rõ nét mặt tiến đồng đều của khối dầu được đẩy dồn về phía các giếng khai thác trung tâm, minh chứng trực quan cho tính chuẩn xác của mô hình số trị.

Đề xuất và khuyến nghị

Tái cấu trúc sơ đồ phát triển mỏ: Doanh nghiệp khai thác dầu khí cần cập nhật ngay thiết kế công nghệ mỏ, chuyển đổi giếng khoan thăm dò hiện hữu thành giếng bơm ép nghiêng kỹ thuật cao tại vị trí số 21 trong vòng 6 tháng đầu triển khai, nhằm đạt mục tiêu nâng hiệu suất quét thể tích vỉa lên trên 80%.

Thiết lập hệ thống kiểm soát áp suất vận hành nghiêm ngặt: Đội ngũ kỹ sư công nghệ mỏ phải duy trì áp suất đầu giếng ổn định trong khoảng 2500 psi đến 3000 psi và lưu lượng bơm ép khí từ 15 đến 20 triệu bộ khối tiêu chuẩn mỗi ngày. Quy trình vận hành này cần được giám sát liên tục 24/7 trong suốt chu kỳ 5 năm đầu khai thác để ngăn chặn hiện tượng đột phá khí sớm.

Tích hợp công nghệ bơm ép luân phiên nước và khí: Đơn vị quản lý dự án phối hợp cùng viện nghiên cứu chuyên ngành triển khai thử nghiệm kỹ thuật bơm luân phiên nước và khí theo tỷ lệ thể tích 1:1 sau năm thứ 3 của dự án. Giải pháp này hướng tới mục tiêu kiểm soát tỷ số khí dầu dưới mức 1200 scf/stb và tiết kiệm khoảng 18% lượng khí nén bổ sung từ bên ngoài.

Hoàn thiện cơ chế chính sách và tiêu chuẩn ngành: Cơ quan quản lý nhà nước và Tập đoàn Dầu khí cần sớm ban hành hướng dẫn kỹ thuật và chính sách ưu đãi thuế tài nguyên đối với các dự án mỏ cận biên áp dụng giải pháp tái bơm ép khí, áp dụng trong giai đoạn từ nay đến năm 2030 nhằm hướng tới mục tiêu giảm phát thải ròng 100% lượng khí đốt ngoài khơi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư công nghệ mỏ và kỹ sư khai thác dầu khí: Nắm bắt phương pháp xử lý dữ liệu nhiệt động chất lưu, quy trình xác định áp suất trộn lẫn tối thiểu và kỹ năng thiết lập mô hình mô phỏng số trị 3D để áp dụng trực tiếp vào việc tối ưu hóa sơ đồ khai thác các mỏ dầu đang suy giảm sản lượng.

Nhà quản lý dự án và chuyên viên phân tích kinh tế năng lượng: Sử dụng mô hình đánh giá chi phí đầu tư và chi phí vận hành so sánh giữa phương án xuất bán khí qua đường ống 1 triệu USD/km với phương án tái bơm ép tại chỗ để đưa ra quyết định đầu tư chính xác cho các mỏ nhỏ cận biên.

Cán bộ quản lý an toàn và môi trường ngành dầu khí: Tham khảo giải pháp xử lý triệt để khí đồng hành nhằm đáp ứng nghiêm ngặt các quy định của Luật Dầu khí năm 2009, giảm thiểu hoàn toàn khí thải carbon từ hoạt động đốt bỏ khí ngoài khơi.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Địa chất Dầu khí: Khai thác làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về các phương pháp thu hồi dầu tăng cường, cơ chế cân bằng pha và công nghệ mô phỏng vỉa nâng cao.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao phương án bơm ép khí đồng hành lại có lợi thế kinh tế vượt trội tại các mỏ nhỏ cận biên? Các mỏ cận biên thường cách xa hạ tầng sẵn có hàng chục kilômét. Với chi phí lắp đặt đường ống khoảng 1 triệu USD/km, việc xuất bán sản lượng khí nhỏ sẽ dẫn tới thua lỗ nặng. Bơm ép khí tại chỗ giúp cắt giảm hoàn toàn chi phí này, đồng thời gia tăng thu hồi dầu từ 6.2% đến 9.4%.

Cơ chế hòa tan đa tiếp xúc bằng khí nghèo diễn ra như thế nào trong tầng chứa cát kết? Khi bơm khí nghèo giàu methane ở áp suất trên 3450 psi, dòng khí tiếp xúc liên tục và trích xuất các hợp chất hydrocarbon trung gian từ carbon số 2 đến số 6 trong dầu thô. Qua nhiều bề mặt tiếp xúc, pha khí giàu dần lên cho đến khi hòa tan hoàn toàn vào dầu, triệt tiêu sức căng bề mặt.

Thí nghiệm ống mảnh đóng vai trò then chốt như thế nào trong nghiên cứu này? Thí nghiệm ống mảnh là phương pháp thực nghiệm chuẩn xác nhất để xác định áp suất trộn lẫn tối thiểu đạt từ 3450 psi đến 3800 psi. Kết quả này giúp khẳng định vỉa chứa mỏ XX đủ điều kiện nhiệt động để hòa tan hoàn toàn trước khi doanh nghiệp đầu tư lắp đặt hệ thống máy nén khí đắt tiền.

Làm thế nào để kiểm soát hiện tượng đột phá khí sớm khi bơm ép khí vào vỉa? Hiện tượng đột phá khí sớm được kiểm soát thông qua việc duy trì áp suất đầu giếng dưới ngưỡng 3000 psi, tối ưu hóa khoảng cách và bố trí giếng bơm ép nghiêng tại vị trí số 21. Ngoài ra, việc kết hợp bơm luân phiên từng nút nước và khí giúp làm giảm độ linh động của dòng khí nén.

Dự án tái bơm ép khí đồng hành đóng góp gì cho công tác bảo vệ môi trường? Theo quy định tại Điều 4 và Điều 5 Luật Dầu khí năm 2009, việc xả thải hoặc đốt bỏ khí đồng hành ngoài khơi bị hạn chế nghiêm ngặt. Việc tái bơm ép 100% lượng khí dư thừa giúp loại bỏ hoàn toàn khí thải độc hại ra môi trường biển và bảo tồn nguyên vẹn nguồn tài nguyên năng lượng quốc gia.

Kết luận

• Luận văn đã chứng minh tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả kinh tế vượt trội của công nghệ bơm ép khí đồng hành tại vỉa Oligocene mỏ XX thuộc Bể Cửu Long.

• Xác định chuẩn xác ngưỡng áp suất trộn lẫn tối thiểu từ 3450 psi đến 3800 psi, làm sáng tỏ cơ chế hòa tan đa tiếp xúc giúp giảm 50% độ nhớt dầu thô.

• Tối ưu hóa quỹ đạo giếng bơm ép nghiêng tại vị trí số 21 và xác lập giới hạn áp suất vận hành đầu giếng 3000 psi, giúp gia tăng hệ số thu hồi dầu thêm từ 6.2% đến 9.4%.

• Loại bỏ hoàn toàn nhu cầu đầu tư tuyến đường ống dẫn khí trị giá khoảng 28 triệu USD, biến mỏ cận biên thành dự án có hiệu quả tài chính cao.

• Giải quyết triệt để bài toán môi trường theo Luật Dầu khí năm 2009 thông qua việc chấm dứt hoàn toàn hiện tượng đốt bỏ khí đồng hành ngoài khơi.

Kế hoạch hành động tiếp theo tập trung vào việc hoàn thiện thiết kế chi tiết cụm máy nén khí cao áp trong vòng 12 tháng tới để đưa giải pháp vào ứng dụng thực địa. Các đơn vị khai thác dầu khí và nhà nghiên cứu hãy tham khảo toàn văn công trình này để triển khai ngay các giải pháp công nghệ nâng cao hệ số thu hồi dầu tối ưu cho doanh nghiệp.