Tổng quan nghiên cứu

Sự mất ổn định thành giếng khoan do trương nở sét là một trong những thách thức lớn nhất trong ngành khoan dầu khí, chiếm tới 80-90% các sự cố liên quan đến ổn định thành giếng khi khoan qua các địa tầng chứa sét hoạt tính. Tại mỏ Bạch Hổ, nơi có địa tầng sét hoạt tính với hàm lượng khoáng vật montmorillonit cao, việc kiểm soát sự trương nở sét là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công giếng khoan. Hệ dung dịch khoan gốc nước (WBM) được sử dụng phổ biến tại Vietsovpetro nhờ ưu điểm chi phí thấp, dễ vận hành và thân thiện môi trường, tuy nhiên vẫn tồn tại hạn chế về khả năng ức chế trương nở sét trong môi trường nước cao.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng hóa phẩm ức chế gốc polyamine trong hệ dung dịch khoan gốc nước ức chế cao KGAC Plus M1, nhằm nâng cao hiệu quả kiểm soát trương nở sét tại các địa tầng sét hoạt tính vùng mỏ Bạch Hổ. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2020-2022, bao gồm hai giai đoạn chính: thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và thử nghiệm công nghiệp tại giếng khoan thực tế. Mục tiêu cụ thể là lựa chọn loại polyamine phù hợp, đánh giá hiệu quả ức chế trương nở sét và khả năng tương thích với hệ dung dịch khoan hiện có, từ đó đề xuất giải pháp cải tiến hệ dung dịch khoan nhằm giảm thiểu sự cố mất ổn định thành giếng, tiết kiệm chi phí và thời gian thi công.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết về đặc tính và cơ chế trương nở của khoáng sét, đặc biệt là nhóm montmorillonit có khả năng hấp thụ nước mạnh nhất, gây trương nở thể tích lớn. Hai cơ chế trương nở chính được nghiên cứu là trương nở bề mặt (surface swelling) và trương nở thẩm thấu (osmotic swelling). Cơ chế trương nở thẩm thấu được xem là nguyên nhân chính làm tăng thể tích sét lên đến 20 lần so với trương nở bề mặt.

Các loại hóa phẩm ức chế trương nở sét được phân loại thành: hóa phẩm vô cơ (như KCl), chất lỏng ion (ionic liquids), chất hoạt động bề mặt (surfactants), polymer và hóa phẩm gốc amine. Trong đó, polyamine được chú trọng do khả năng hạn chế hấp thụ nước của sét, tăng tính ổn định thể tích và tương thích tốt với các thành phần khác trong dung dịch khoan gốc nước.

Ba khái niệm chính được áp dụng trong nghiên cứu gồm:

  • Khả năng ức chế trương nở sét: đo lường qua các chỉ số như phần trăm trương nở, độ bảo tồn mùn khoan, độ lắng sét.
  • Tương tác hóa học giữa polyamine và khoáng sét: cơ chế hấp phụ và bao phủ bề mặt sét để ngăn ngừa hấp thụ nước.
  • Tính ổn định dung dịch khoan: bao gồm các thông số lưu biến, độ thải nước và khả năng duy trì áp suất phù hợp trong giếng khoan.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm mẫu hóa phẩm polyamine thương mại trong nước và quốc tế, mẫu đất đá sét thu thập từ các giếng khoan mỏ Bạch Hổ, cùng các dữ liệu thực nghiệm thu thập trong phòng thí nghiệm và giếng khoan thực tế. Cỡ mẫu thí nghiệm phòng lab gồm 5 loại polyamine khác nhau được sàng lọc theo tiêu chuẩn kỹ thuật, với các phép đo như thí nghiệm ức chế bentonite API, đo trương nở bằng máy Swellmeter, đo độ lắng sét và bảo tồn mùn khoan.

Phương pháp chọn mẫu là chọn đại diện các chủng loại polyamine phổ biến trên thị trường, có cấu trúc phân tử đa dạng để đánh giá toàn diện hiệu quả ức chế. Phân tích dữ liệu sử dụng các phương pháp thống kê mô tả, so sánh phần trăm trương nở, độ lắng và các chỉ số lưu biến trước và sau khi bổ sung polyamine.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 18 tháng, gồm 12 tháng thí nghiệm phòng lab và 6 tháng thử nghiệm công nghiệp tại giếng khoan 8X mỏ Bạch Hổ. Giai đoạn thử nghiệm công nghiệp tập trung đánh giá tính ổn định thành giếng, khả năng duy trì thông số dung dịch và hiệu quả kinh tế khi áp dụng polyamine trong hệ dung dịch KGAC Plus M1.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả ức chế trương nở sét của polyamine: Trong các mẫu polyamine thử nghiệm, polyether diamine (PEDA-258) cho kết quả ức chế trương nở bentonite tốt nhất với phần trăm trương nở giảm xuống còn khoảng 15% sau 24 giờ, so với 40-50% ở mẫu không sử dụng chất ức chế. Độ lắng sét sau 180 phút cũng giảm từ 25 ml xuống còn 10 ml, chứng tỏ khả năng ổn định mùn khoan vượt trội.

  2. Tương thích với hệ dung dịch khoan KGAC Plus M1: Khi bổ sung PEDA-258 vào hệ dung dịch khoan, các thông số lưu biến như độ nhớt và điểm chảy vẫn duy trì ổn định trong khoảng 30-35 cP và 10-12 lb/100ft², phù hợp với yêu cầu kỹ thuật. Độ thải nước giảm 20% so với hệ dung dịch sử dụng hóa phẩm truyền thống Hib-X.

  3. Kết quả thử nghiệm công nghiệp tại giếng khoan 8X: Dung dịch khoan có bổ sung polyamine duy trì ổn định thành giếng trong suốt quá trình khoan với tỷ trọng dao động từ 1.2 đến 1.4 g/cm³. Tỷ lệ sự cố mất ổn định thành giếng giảm 30% so với các giếng khoan trước đó sử dụng hệ dung dịch không có polyamine. Mùn khoan thu hồi trên sàn rung có kích thước đồng đều, không có dấu hiệu bó kẹt do sét trương nở.

  4. Khó khăn và bài học kinh nghiệm: Quá trình thử nghiệm gặp một số khó khăn về hòa tan polyamine trong nước, cần điều chỉnh pH và nhiệt độ để đảm bảo hiệu quả. Việc kiểm soát tỷ trọng dung dịch và chế độ bơm cũng đóng vai trò quan trọng trong duy trì ổn định thành giếng.

Thảo luận kết quả

Kết quả thí nghiệm và thử nghiệm công nghiệp cho thấy polyamine, đặc biệt là polyether diamine, có khả năng ức chế trương nở sét hiệu quả nhờ cơ chế hấp phụ và bao phủ bề mặt khoáng sét, hạn chế sự xâm nhập của nước vào cấu trúc sét. So với các hóa phẩm truyền thống như KCl hay Hib-X, polyamine thể hiện ưu thế vượt trội trong việc giảm phần trăm trương nở và duy trì tính ổn định của mùn khoan.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này phù hợp với báo cáo của ngành về hiệu quả của polyamine trong các hệ dung dịch khoan gốc nước tiên tiến. Việc áp dụng polyamine trong hệ dung dịch KGAC Plus M1 không chỉ nâng cao hiệu quả kỹ thuật mà còn góp phần giảm chi phí xử lý sự cố và thời gian thi công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phần trăm trương nở sét theo thời gian, bảng so sánh các thông số lưu biến trước và sau khi bổ sung polyamine, cũng như biểu đồ phân bố kích thước mùn khoan thu hồi trên sàn rung. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng sự cải thiện về hiệu quả ức chế và tính ổn định dung dịch khoan.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng polyamine trong hệ dung dịch khoan KGAC Plus M1: Khuyến nghị sử dụng polyether diamine làm chất ức chế chính trong các giếng khoan có địa tầng sét hoạt tính tại mỏ Bạch Hổ, nhằm giảm thiểu sự cố mất ổn định thành giếng. Thời gian áp dụng dự kiến trong vòng 12 tháng tới, do Vietsovpetro chủ trì.

  2. Tối ưu quy trình hòa tan và xử lý dung dịch khoan: Đề xuất điều chỉnh pH và nhiệt độ trong quá trình pha chế dung dịch khoan để đảm bảo polyamine hòa tan hoàn toàn, nâng cao hiệu quả ức chế. Các kỹ thuật viên và phòng thí nghiệm cần phối hợp thực hiện trong 6 tháng đầu.

  3. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho đội ngũ vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về đặc tính và cách sử dụng polyamine trong dung dịch khoan cho kỹ sư và công nhân vận hành, nhằm đảm bảo kiểm soát tốt các thông số kỹ thuật trong quá trình thi công. Thời gian đào tạo trong 3 tháng, do phòng kỹ thuật và đào tạo phối hợp thực hiện.

  4. Tiếp tục nghiên cứu mở rộng và thử nghiệm tại các giếng khoan khác: Khuyến nghị tiến hành thử nghiệm thêm tại ít nhất 3 giếng khoan mới trong vòng 18 tháng tới để củng cố dữ liệu, đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật toàn diện hơn. Phòng nghiên cứu và phát triển chịu trách nhiệm triển khai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia khoan dầu khí: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về hóa phẩm ức chế trương nở sét, giúp họ lựa chọn và áp dụng dung dịch khoan phù hợp, giảm thiểu sự cố trong quá trình khoan.

  2. Nhà nghiên cứu và phát triển hóa phẩm khoan: Tài liệu chi tiết về cơ chế hoạt động và hiệu quả của polyamine hỗ trợ nghiên cứu phát triển các loại hóa phẩm mới, nâng cao chất lượng dung dịch khoan gốc nước.

  3. Quản lý dự án và kỹ thuật tại các công ty dầu khí: Thông tin về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của polyamine giúp họ đưa ra quyết định đầu tư, lựa chọn công nghệ khoan tối ưu cho các dự án khai thác.

  4. Sinh viên và học viên ngành kỹ thuật dầu khí: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá để hiểu rõ về các vấn đề kỹ thuật liên quan đến khoan địa tầng sét hoạt tính và các giải pháp hóa học ứng dụng trong thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Polyamine là gì và tại sao được chọn làm chất ức chế sét?
    Polyamine là nhóm hóa chất hữu cơ chứa nhiều nhóm amine, có khả năng hấp phụ lên bề mặt khoáng sét, ngăn cản sự hấp thụ nước và trương nở. Chúng được chọn vì hiệu quả ức chế cao, tương thích tốt với hệ dung dịch khoan gốc nước và thân thiện môi trường.

  2. Hiệu quả ức chế trương nở sét của polyamine được đánh giá như thế nào?
    Hiệu quả được đánh giá qua các thí nghiệm đo phần trăm trương nở sét bentonite, độ lắng sét, bảo tồn mùn khoan và các thông số lưu biến của dung dịch khoan. Polyamine giảm phần trăm trương nở xuống còn khoảng 15%, cải thiện đáng kể so với các hóa phẩm truyền thống.

  3. Polyamine có ảnh hưởng đến tính chất lưu biến của dung dịch khoan không?
    Kết quả nghiên cứu cho thấy polyamine duy trì ổn định các thông số lưu biến như độ nhớt và điểm chảy, không gây ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng bơm và vận hành dung dịch khoan.

  4. Có những khó khăn gì khi sử dụng polyamine trong thực tế?
    Khó khăn chính là việc hòa tan polyamine trong nước, cần kiểm soát pH và nhiệt độ để đảm bảo hiệu quả. Ngoài ra, cần điều chỉnh tỷ trọng và chế độ bơm phù hợp để duy trì ổn định thành giếng.

  5. Polyamine có thể áp dụng rộng rãi cho các mỏ khác không?
    Với tính năng ức chế trương nở sét hiệu quả và khả năng tương thích cao, polyamine có tiềm năng áp dụng cho nhiều mỏ có địa tầng sét hoạt tính tương tự, tuy nhiên cần thử nghiệm cụ thể để điều chỉnh phù hợp với điều kiện địa chất từng vùng.

Kết luận

  • Polyamine, đặc biệt polyether diamine, đã được chứng minh có hiệu quả ức chế trương nở sét vượt trội trong hệ dung dịch khoan gốc nước KGAC Plus M1 tại mỏ Bạch Hổ.
  • Thí nghiệm phòng lab và thử nghiệm công nghiệp cho thấy giảm phần trăm trương nở sét xuống còn khoảng 15%, đồng thời duy trì ổn định các thông số lưu biến và giảm sự cố mất ổn định thành giếng.
  • Việc áp dụng polyamine góp phần nâng cao chất lượng dung dịch khoan, giảm chi phí xử lý sự cố và thời gian thi công giếng khoan.
  • Cần tiếp tục thử nghiệm mở rộng tại các giếng khoan khác để củng cố dữ liệu và tối ưu quy trình sử dụng polyamine.
  • Khuyến nghị triển khai áp dụng polyamine trong hệ dung dịch khoan KGAC Plus M1 trong vòng 12 tháng tới, đồng thời đào tạo đội ngũ vận hành và tối ưu quy trình pha chế dung dịch.

Hành động tiếp theo là phối hợp giữa phòng nghiên cứu, kỹ thuật và vận hành để triển khai áp dụng polyamine, đồng thời thu thập dữ liệu phản hồi để hoàn thiện giải pháp, hướng tới nâng cao hiệu quả thi công và an toàn trong khoan dầu khí.