Tổng quan nghiên cứu

Ngành dầu khí Việt Nam giữ vai trò huyết mạch trong nền kinh tế quốc dân, trong đó cụm mỏ tại Lô 15-1 thuộc bồn trũng Cửu Long với diện tích khoảng 4.600 km2 đang đóng góp sản lượng khai thác ấn tượng trên 100.000 thùng dầu mỗi ngày từ các mỏ Sư Tử Đen và Sư Tử Vàng. Tuy nhiên, trước quy luật suy giảm sản lượng tự nhiên của các mỏ đang vận hành, việc khẩn trương đưa mỏ khí và ngưng tụ Sư Tử Trắng vào khai thác thương mại trở thành nhiệm vụ chiến lược sống còn. Mỏ Sư Tử Trắng nằm cách bờ biển Vũng Tàu khoảng 135 km về phía Đông với độ sâu mực nước biển trung bình 56 m, sở hữu trữ lượng địa chất ước tính vượt 500 triệu thùng dầu tại chỗ cùng hơn 2.000 tỷ bộ khối khí.

Vấn đề kỹ thuật cốt lõi đặt ra là tầng sản phẩm chính của mỏ nằm tại tập cát kết E và F thuộc phân hệ tầng Oligocen dưới, có cấu trúc địa chất phân tầng xen kẽ phức tạp, áp suất vỉa rất cao dao động từ 8.000 đến 9.000 psi và nhiệt độ đáy giếng lên tới 305 độ F. Khác biệt với tầng móng nứt nẻ của các mỏ lân cận, vỉa cát kết tại đây có nguy cơ sinh cát và tổn hại độ thấm cận đáy giếng rất lớn nếu không có giải pháp kỹ thuật phù hợp.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá toàn diện các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất dòng chảy, phân tích thủy động lực học cận đáy giếng, từ đó lựa chọn và tối ưu hóa phương pháp hoàn thiện giếng cho giếng khai thác ST-XP đại diện cho mỏ Sư Tử Trắng. Phạm vi nghiên cứu sử dụng tập dữ liệu thực địa từ 4 giếng khoan thăm dò và thẩm lượng giai đoạn 2003 - 2008 nhằm phục vụ kế hoạch phát triển mỏ năm 2010. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp nâng cao hệ số thu hồi khí đạt mức trung bình 26% và thu hồi chất lỏng đạt 15%, đồng thời giảm thiểu tối đa tổn thất áp suất và kéo dài tuổi thọ thiết bị khai thác lòng giếng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng thủy động lực học vỉa dầu khí hiện đại, trong đó Định luật Darcy mở rộng cho dòng chảy chất lưu nhiều pha trong môi trường xốp đóng vai trò nguyên lý nền tảng. Để đánh giá chính xác năng lực khai thác, mô hình phân tích chỉ số khai thác (Productivity Index - J) kết hợp cùng mô hình đường đặc tính dòng vào (Inflow Performance Relationship - IPR) được thiết lập nhằm xác định tương quan giữa lưu lượng khai thác và độ suy giảm áp suất đáy giếng.

Song song đó, lý thuyết tổn thất áp suất cận đáy giếng được cụ thể hóa qua phương trình xác định hệ số tổn thất cục bộ tổng Skin S' = S + Dq, trong đó S biểu thị hệ số tổn hại thành hệ do quá trình khoan, trám xi măng hoặc đục lỗ, còn D đại diện cho hệ số dòng chảy rối phi Darcy khi chất lưu khí chuyển động ở vận tốc cao.

Về mặt công nghệ hoàn thiện giếng, nghiên cứu áp dụng lý thuyết tối ưu hóa dòng ra (Tubing Performance Relationship - TPR) thông qua tương quan nâng thủy lực đa pha, kết hợp cơ sở lý thuyết nhiệt động học chất lưu biến đổi pha khi áp suất giảm dưới áp suất điểm sương từ 4.775 đến 4.909 psi. Đối với công nghệ mở vỉa, lý thuyết sóng nổ định hướng sử dụng năng lượng tập trung của thuốc nổ cao áp loại RDX với tốc độ nổ 26.000 ft/s và loại HMX đạt 30.000 ft/s được vận dụng để tính toán chiều sâu xâm nhập và mật độ lỗ đạn xuyên phá lớp đá xi măng và thành hệ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ cỡ mẫu gồm 4 giếng khoan thăm dò và thẩm lượng trọng điểm tại cấu tạo Sư Tử Trắng bao gồm ST-A, ST-B, ST-C và ST-D. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp chọn mẫu có chủ đích theo toàn bộ các đối tượng địa tầng triển vọng, bao trùm kết quả đo carota địa vật lý giếng khoan, phân tích thạch học từ hàng trăm mét mẫu lõi cơ học, đo áp suất thành hệ MDT và dữ liệu thực tế từ 7 chuỗi thử vỉa DST độc lập.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô hình hóa giải tích kết hợp đánh giá đa tiêu chí kinh tế - kỹ thuật là bởi vì cấu trúc vỉa chứa mỏ Sư Tử Trắng có tính chất dị hướng cao, nhiệt độ đáy giếng đạt 305 độ F và áp suất lên đến 9.000 psi. Các phương pháp mô phỏng dòng vào IPR và dòng ra TPR cho phép đánh giá chính xác sự biến thiên của độ nhớt chất lưu ở mức 0,37 cP và hệ số thể tích khí 274 scf/rcf.

Timeline nghiên cứu được triển khai xuyên suốt theo tiến trình phát triển mỏ: các số liệu khoan thăm dò và thử vỉa thực địa được thu thập từ năm 2003 đến năm 2008, tiếp đó công tác xử lý số liệu, tính toán thủy lực và lập phương án thiết kế hoàn thiện giếng ST-XP được thực hiện hoàn tất trong giai đoạn đầu năm 2009.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã chỉ ra những đặc trưng địa chất - công nghệ quan trọng của hai tầng sản phẩm chủ lực tại mỏ Sư Tử Trắng:

Thứ nhất, tập cát E có độ dày lớn từ 185 m đến 550 m, độ rỗng dao động từ 7% đến 20%, độ bão hòa nước ban đầu từ 15% đến 60% và có độ thấm biến thiên mạnh. Thử vỉa DST số 3 tại giếng ST-A trong tập E ghi nhận lưu lượng khí cực đại đạt 37,7 triệu bộ khối mỗi ngày cùng 4.033 thùng condensate mỗi ngày, xác lập tập E là đối tượng khai thác có tiềm năng năng lượng cao nhất mỏ.

Thứ hai, tập cát F có độ dày từ 207 m đến hơn 500 m, tuy nhiên độ đồng nhất kém hơn tập E. Thử vỉa DST số 1 tại giếng ST-C cho lưu lượng condensate tối đa đạt 2.264 thùng mỗi ngày và 7,1 triệu bộ khối khí mỗi ngày, nhưng tại giếng ST-D vỉa lại trở nên đặc xít và hầu như không có khả năng cho dòng. Cường độ kháng nén của đất đá (UCS) đo được ở mức khoảng 1.000 psi, phản ánh nguy cơ phá hủy liên kết hạt cát khi áp suất đáy giếng suy giảm mạnh.

Thứ ba, kết quả tính toán thủy lực dòng vào cho thấy phương pháp hoàn thiện bằng ống chống, trám xi măng và bắn mở vỉa kiểm soát hệ số skin tổng S' ở mức tối ưu nhất cho cả hai tập E và F. Tổng chi phí hoàn thiện cho 20 khoảng bắn mở vỉa tại giếng ST-XP ước tính khoảng 2,4 triệu USD, giúp tiết kiệm từ 30% đến 45% tổng chi phí đầu tư so với phương án chèn sỏi hoặc sử dụng ống chống lửng phin lọc.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi khiến phương pháp ống chống, trám xi măng và bắn mở vỉa vượt trội là nhờ khả năng tạo kênh dẫn sạch xuyên sâu qua đới nén ép và đới nhiễm bẩn bùn khoan. Do chất lưu mỏ Sư Tử Trắng là khí và condensate có độ nhớt rất thấp khoảng 0,37 cP, nếu áp dụng phương pháp chèn sỏi, vận tốc khí cao khi qua màng sỏi sẽ kích hoạt dòng chảy rối phi Darcy mãnh liệt, làm hệ số D tăng cao và gây tổn thất áp suất nghiêm trọng. Đối với ống chống lửng phin lọc, hiện tượng sét chảy từ các lớp sét xen kẹp sẽ nhanh chóng làm bít tắc khe lọc và suy giảm độ thấm cục bộ tới 60%.

So sánh với các nghiên cứu hoàn thiện thân trần tại mỏ Sư Tử Đen và Sư Tử Vàng, điều kiện vỉa cát kết Sư Tử Trắng hoàn toàn không cho phép để thân trần do nguy cơ sạt lở giếng ở áp suất 9.000 psi.

Toàn bộ dữ liệu tính toán thủy động lực học được mô tả rõ ràng qua biểu đồ tương quan dòng vào IPR và dòng nâng TPR cùng các bảng ma trận so sánh chi phí. Biểu đồ đường cong IPR - TPR chỉ ra rằng khi kết hợp cột ống khai thác kích thước 4-1/2 inch hoặc 5-1/2 inch với phương pháp bắn mở vỉa mật độ cao, áp suất đáy giếng duy trì ổn định trên ngưỡng áp suất điểm sương 4.909 psi, từ đó ngăn ngừa hiện tượng chất lỏng ngưng tụ sớm làm nghẽn vỉa chứa.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm tối đa hóa sản lượng khai thác và đảm bảo an toàn mỏ lâu dài, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao:

  1. Áp dụng phương pháp hoàn thiện bằng ống chống, trám xi măng và bắn mở vỉa định hướng cho giếng phát triển ST-XP, hướng tới mục tiêu duy trì hệ số skin S' dưới 2,0 và đạt lưu lượng ổn định trên 30 triệu bộ khối khí mỗi ngày trong quý 1 năm 2010 do Công ty Liên doanh Điều hành Cửu Long (CLJOC) chủ trì thực hiện.

  2. Lựa chọn hệ thống súng bắn vỉa nạp thuốc nổ cao áp loại HMX có tốc độ nổ 30.000 ft/s chịu nhiệt độ trên 300 độ F, bắn với mật độ từ 12 đến 16 viên mỗi lần bắn để tạo chiều sâu xâm nhập vượt quá bán kính nhiễm bẩn bùn khoan từ 8 đến 12 inch, triển khai trước tháng 12 năm 2009 dưới sự phối hợp của các nhà thầu dịch vụ giếng khoan quốc tế.

  3. Kiểm soát chế độ khai thác sao cho áp suất đáy giếng luôn duy trì lớn hơn áp suất điểm sương 4.909 psi, nhằm hạn chế hiện tượng condensate ngưng tụ thể lỏng trong lòng vỉa, bảo đảm mục tiêu thu hồi condensate đạt trên 15% trong vòng 5 năm đầu vận hành do đội ngũ kỹ sư công nghệ mỏ giám sát chặt chẽ.

  4. Thay thế dung dịch khoan bằng hệ nước biển đã xử lý hóa chất sạch trước khi kích nổ súng bắn vỉa, nhằm tạo chênh áp âm (underbalanced) từ 300 đến 500 psi giúp hút sạch mùn đục và mảnh vụn ra khỏi kênh dẫn, hoàn thành trong giai đoạn thử nghiệm giếng vào cuối năm 2009 do ban điều hành khai thác chỉ đạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị thực tiễn sâu rộng cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

  • Kỹ sư khoan và hoàn thiện giếng (Drilling & Completion Engineers): Sử dụng tài liệu để nắm bắt quy trình thiết kế cột ống chống, tính toán hệ số skin, lựa chọn súng bắn vỉa chịu nhiệt độ cao 305 độ F và áp suất lớn 9.000 psi tại các mỏ khí ngoài khơi.

  • Kỹ sư công nghệ mỏ (Reservoir Engineers): Áp dụng phương pháp xây dựng đường cong IPR - TPR và kiểm soát áp suất điểm sương từ 4.775 đến 4.909 psi để tối ưu hóa lưu lượng và kéo dài tuổi thọ các vỉa khí - condensate có cấu trúc cát kết phân tầng.

  • Nhà quản lý dự án và phát triển mỏ: Tham khảo mô hình phân tích đa tiêu chí kinh tế - kỹ thuật giúp tiết kiệm từ 30% đến 45% chi phí hoàn thiện giếng, từ đó tối ưu hóa tổng mức đầu tư (CAPEX) trong các chiến dịch khoan phát triển mỏ tại thềm lục địa.

  • Giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Dầu khí: Khai thác công trình như một tài liệu giảng dạy và nghiên cứu thực tiễn điển hình về thiết kế thủy động lực học đáy giếng và công nghệ mở vỉa tại bồn trũng Cửu Long.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vì sao không thể áp dụng phương pháp hoàn thiện thân trần như mỏ Sư Tử Đen cho mỏ Sư Tử Trắng? Mỏ Sư Tử Đen khai thác dầu từ đá móng kết tinh nứt nẻ có độ cứng rất cao, trong khi mỏ Sư Tử Trắng khai thác khí - condensate từ tầng cát kết Oligocen có cường độ nén UCS chỉ khoảng 1.000 psi. Hoàn thiện thân trần tại Sư Tử Trắng sẽ dẫn đến sập lở thành giếng và mất kiểm soát tầng sản phẩm có áp suất lên tới 9.000 psi.

  2. Tại sao phương pháp chèn sỏi chống cát không được khuyến nghị cho giếng ST-XP? Do lưu chất khai thác là khí và condensate với vận tốc dòng chảy rất lớn, việc chèn sỏi sẽ tạo ra hiệu ứng dòng chảy rối phi Darcy làm tăng đột biến hệ số skin S'. Thêm vào đó, chi phí chèn sỏi cao hơn từ 30% đến 45% so với bắn mở vỉa nhưng lại làm giảm lưu lượng dòng vào của tập cát E.

  3. Vai trò của việc kiểm soát áp suất điểm sương trong quá trình khai thác là gì? Áp suất điểm sương của mỏ Sư Tử Trắng nằm trong khoảng 4.775 đến 4.909 psi. Nếu áp suất đáy giếng tụt xuống dưới mức này, condensate lỏng sẽ ngưng tụ ngay trong vỉa, làm giảm độ thấm tương đối của pha khí và khiến một lượng lớn hydrocarbon lỏng có giá trị kinh tế cao bị giữ lại vĩnh viễn trong vỉa chứa.

  4. Loại súng bắn vỉa nào mang lại hiệu quả cao nhất cho điều kiện mỏ Sư Tử Trắng? Nghiên cứu xác định loại súng bắn vỉa có vỏ bọc sử dụng thuốc nổ cao áp HMX với tốc độ nổ 30.000 ft/s là tối ưu nhất. Cấu hình này bảo đảm tạo ra lỗ bắn có đường kính lớn và chiều sâu xâm nhập vượt xa đới nén ép 8 đến 12 inch trong điều kiện nhiệt độ đáy giếng đạt 305 độ F.

  5. Hệ số tổn thất Skin S' ảnh hưởng như thế nào đến lưu lượng giếng ST-XP? Hệ số skin S' phản ánh mức độ cản trở dòng chảy do biến đổi độ thấm cận đáy giếng và tổn thất chảy rối. Khi thiết kế hoàn thiện tối ưu giúp đưa skin về giá trị nhỏ dưới 2,0, lưu lượng khai thác của giếng ST-XP có thể đạt mức cực đại từ 32 đến 37,7 triệu bộ khối khí mỗi ngày.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện tính chất thạch học và thấm chứa phức tạp của tập cát kết E và F tại mỏ Sư Tử Trắng với áp suất vỉa 8.000 - 9.000 psi và nhiệt độ 305 độ F.
  • Đã thiết lập mô hình tính toán so sánh thủy động lực học, tổn thất áp suất và hệ số skin cho 3 giải pháp hoàn thiện giếng điển hình trong công nghiệp dầu khí.
  • Khẳng định phương pháp hoàn thiện bằng ống chống, trám xi măng và bắn mở vỉa định hướng là phương án tối ưu nhất về mặt kỹ thuật và tiết kiệm 30% đến 45% chi phí đầu tư.
  • Xác lập cấu hình thiết bị bắn vỉa thuốc nổ HMX cùng đường kính cột ống khai thác phù hợp nhằm duy trì áp suất đáy giếng luôn cao hơn điểm sương 4.909 psi.
  • Đưa ra lộ trình triển khai hoàn thiện giếng trong năm 2009, tạo tiền đề quyết định để đưa mỏ Sư Tử Trắng vào khai thác thương mại an toàn trong năm 2010.

Đóng góp lớn nhất của công trình là cung cấp một phương pháp luận khoa học chặt chẽ và giải pháp công nghệ hoàn thiện giếng chuẩn xác cho mỏ khí - condensate Sư Tử Trắng. Độc giả, các chuyên gia và kỹ sư ngành dầu khí hãy tham khảo ngay luận văn này để áp dụng hiệu quả vào các dự án phát triển mỏ khí có điều kiện địa chất tương tự trên thềm lục địa Việt Nam.