Tổng quan nghiên cứu
Dầu khí là nguồn năng lượng và nguyên liệu chủ đạo trong nền kinh tế toàn cầu, đồng thời giữ vai trò chiến lược đối với an ninh năng lượng quốc gia. Tại Việt Nam, dầu khí chiếm khoảng 20-30% tổng giá trị xuất khẩu, đóng góp quan trọng vào sự phát triển kinh tế. Tuy nhiên, trữ lượng dầu khí trên thế giới đang giảm dần do khai thác liên tục mà chưa có nguồn năng lượng thay thế hiệu quả. Mỏ X – Y, nằm ở phía Đông Bắc bồn trũng Cửu Long, cách Vũng Tàu khoảng 160 km, là một trong những mỏ dầu khí trọng điểm với 15 giếng khai thác tại hai cụm mỏ X và Y. Sản lượng khai thác của mỏ ảnh hưởng trực tiếp đến chiến lược phát triển và an ninh năng lượng quốc gia.
Luận văn tập trung phân tích và tối ưu hóa khai thác dầu khí tại mỏ X – Y trong giai đoạn từ năm 2023 đến 2024, với mục tiêu nâng cao hiệu suất khai thác thông qua việc tối ưu phân bổ khí bơm ép (Gaslift) đồng thời với vận hành bơm điện chìm (ESP). Phạm vi nghiên cứu bao gồm thu thập dữ liệu khai thác thực tế như áp suất giếng, lưu lượng khai thác, sơ đồ thiết kế giếng và thông số vận hành ESP, từ đó xây dựng mô hình khai thác trên phần mềm Pipesim để mô phỏng và tối ưu hóa. Việc tối ưu này nhằm tăng sản lượng khai thác dầu khoảng 500 thùng/ngày, đồng thời giảm tải cho bơm ESP, kéo dài tuổi thọ thiết bị và đảm bảo khai thác liên tục.
Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao trong bối cảnh nguồn khí bơm ép có giới hạn và hàm lượng nước trong giếng tăng cao, ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế của mỏ. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả khai thác dầu khí, giảm chi phí vận hành và hỗ trợ ra quyết định kỹ thuật trong quản lý mỏ.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:
Phân tích điểm nút (Nodal Analysis): Phương pháp này phân tích áp suất và lưu lượng tại các điểm nút trong hệ thống khai thác, bao gồm áp suất vỉa, áp suất đáy giếng, áp suất đầu giếng và áp suất trong ống khai thác. Công thức áp dụng bao gồm cân bằng áp suất giữa các đoạn và các tổn thất áp suất do ma sát, giúp xác định lưu lượng tối ưu và hiệu suất khai thác.
Mô hình hiệu suất dòng vào (IPR - Inflow Performance Relationship): Mô hình này biểu diễn mối quan hệ giữa áp suất đáy giếng và lưu lượng khai thác, dựa trên các cơ chế dòng chảy tức thời, ổn định và giả ổn định trong vỉa. Các phương pháp Vogel và Fetkovich được sử dụng để xây dựng đường cong IPR cho giếng đa pha, giúp dự báo sản lượng khai thác trong tương lai.
Mô hình dòng chảy đa pha trong giếng: Phân tích các cơ chế dòng chảy phức tạp của dầu, khí và nước trong ống khai thác, sử dụng các tương quan ma sát Darcy-Wiesbach và hệ số Reynold để tính toán tổn thất áp suất, từ đó đánh giá hiệu suất ống khai thác (TPR).
Phương pháp tối ưu hóa phân bổ khí bơm ép (Gaslift Optimization): Áp dụng các thuật toán toán học như MINLP, Branch & Bound, thuật toán di truyền và mạng nơ ron hồi quy để tối ưu lưu lượng khí bơm ép cho từng giếng nhằm đạt tổng sản lượng khai thác tối đa trong điều kiện giới hạn khí có sẵn.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu khai thác thực tế từ mỏ X – Y bao gồm áp suất giếng, lưu lượng khai thác, sơ đồ thiết kế giếng, thông số vận hành bơm điện chìm (ESP), hàm lượng nước và khí đồng hành. Dữ liệu được thu thập trong giai đoạn 2023-2024.
Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình khai thác cho từng giếng và mạng lưới giếng trên phần mềm thương mại Pipesim. Tiến hành khớp dữ liệu mô hình với dữ liệu thực tế thông qua áp suất và nhiệt độ đầu giếng để hiệu chỉnh mô hình. Sau đó, mô phỏng mạng lưới khai thác để đánh giá hiệu quả phân bổ khí bơm ép.
Tối ưu hóa: Sử dụng công cụ Well Optimizer trong Pipesim để phân bổ lại lưu lượng khí bơm ép có giới hạn cho các giếng khai thác bằng bơm điện chìm (ESP) nhằm tối đa hóa sản lượng dầu. So sánh kết quả mô phỏng với phân bổ thực tế để đánh giá hiệu quả.
Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 09/2023 đến tháng 12/2023, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng và hiệu chỉnh mô hình, tối ưu hóa và đánh giá kết quả.
Cỡ mẫu: 15 giếng khai thác tại hai cụm mỏ X và Y được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu, đại diện cho các điều kiện khai thác đa dạng như giếng dầu nặng, giếng ngập nước và giếng sử dụng bơm điện chìm kết hợp gaslift.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Hiệu chỉnh mô hình giếng: Qua quá trình khớp dữ liệu áp suất và nhiệt độ đầu giếng, mô hình Pipesim đạt độ chính xác cao với sai số dưới 5% so với dữ liệu thực tế. Điều này cho phép mô phỏng chính xác lưu lượng khai thác và áp suất vận hành của từng giếng.
Tối ưu phân bổ khí bơm ép: Khi phân bổ lại lưu lượng khí bơm ép theo mô hình tối ưu, tổng sản lượng dầu khai thác tăng khoảng 500 thùng/ngày, tương đương tăng 8-10% so với phân bổ khí hiện tại. Lưu lượng khí bơm ép được phân bổ ưu tiên cho các giếng có hiệu suất khai thác cao và hàm lượng nước thấp.
Giảm tải cho bơm điện chìm (ESP): Việc tối ưu khí bơm ép giúp giảm áp suất đầu ra và tần số vận hành của bơm ESP khoảng 15-20%, từ đó kéo dài tuổi thọ bơm và giảm chi phí bảo trì. Đồng thời, khi bơm ESP gặp sự cố, giếng vẫn có thể duy trì khai thác bằng khí nâng gaslift, đảm bảo sản xuất liên tục.
Hiệu quả kinh tế: Phân tích chi phí vận hành và lợi nhuận cho thấy việc tối ưu khí bơm ép kết hợp ESP mang lại lợi ích kinh tế rõ rệt, giảm chi phí xử lý nước và tăng doanh thu từ sản lượng dầu tăng thêm. Ước tính lợi ích kinh tế tăng khoảng 10-15% so với phương án khai thác hiện tại.
Thảo luận kết quả
Kết quả nghiên cứu cho thấy việc kết hợp tối ưu khí bơm ép gaslift với vận hành bơm điện chìm (ESP) là giải pháp kỹ thuật hiệu quả để nâng cao sản lượng khai thác và kéo dài tuổi thọ thiết bị tại mỏ X – Y. Việc sử dụng mô hình Pipesim giúp mô phỏng chính xác các điều kiện vận hành thực tế, từ đó đưa ra các kịch bản phân bổ khí phù hợp.
So sánh với các nghiên cứu quốc tế và trong nước, kết quả tương đồng với các luận văn và bài báo đã ứng dụng thuật toán tối ưu khí bơm ép và mô hình hóa mạng giếng, đồng thời bổ sung thêm yếu tố kết hợp ESP để tăng tính thực tiễn. Việc giảm tải cho bơm ESP không chỉ giúp tiết kiệm chi phí bảo trì mà còn giảm rủi ro gián đoạn sản xuất.
Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh sản lượng dầu trước và sau tối ưu, biểu đồ phân bổ khí bơm ép cho từng giếng, và bảng thống kê hiệu suất vận hành bơm ESP. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp tối ưu và hỗ trợ việc ra quyết định kỹ thuật.
Đề xuất và khuyến nghị
Áp dụng phân bổ khí bơm ép tối ưu: Các đơn vị vận hành mỏ nên triển khai phân bổ khí bơm ép theo mô hình tối ưu đã xây dựng để tăng sản lượng khai thác khoảng 8-10% trong vòng 6 tháng tới, đồng thời giảm chi phí vận hành.
Kết hợp vận hành bơm điện chìm và gaslift: Đề xuất duy trì vận hành đồng thời bơm ESP và khí bơm ép để đảm bảo khai thác liên tục, giảm tải cho bơm ESP, kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí bảo trì trong vòng 1 năm.
Nâng cao chất lượng dữ liệu khai thác: Khuyến nghị tăng cường thu thập và cập nhật dữ liệu vận hành giếng, bao gồm áp suất, lưu lượng, hàm lượng nước và khí đồng hành để hiệu chỉnh mô hình chính xác hơn, hỗ trợ tối ưu hóa liên tục.
Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư vận hành về sử dụng phần mềm mô phỏng Pipesim và các công cụ tối ưu hóa khí bơm ép nhằm nâng cao năng lực quản lý và vận hành mỏ trong vòng 12 tháng.
Nghiên cứu mở rộng: Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục mở rộng mô hình tối ưu cho các mỏ khác có điều kiện tương tự, đồng thời tích hợp thêm các yếu tố kinh tế và môi trường để nâng cao hiệu quả khai thác bền vững.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Kỹ sư khai thác dầu khí: Luận văn cung cấp phương pháp mô hình hóa và tối ưu khí bơm ép kết hợp bơm điện chìm, giúp kỹ sư nâng cao hiệu quả vận hành và quản lý giếng khai thác.
Nhà quản lý mỏ và hoạch định chiến lược: Các nhà quản lý có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để ra quyết định phân bổ nguồn lực, tối ưu sản lượng và chi phí vận hành, đảm bảo an ninh năng lượng.
Chuyên gia nghiên cứu và phát triển công nghệ dầu khí: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng phần mềm mô phỏng Pipesim và các thuật toán tối ưu hóa trong khai thác dầu khí.
Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật dầu khí: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về lý thuyết dòng chảy đa pha, phân tích điểm nút, mô hình IPR và phương pháp tối ưu khai thác thực tiễn.
Câu hỏi thường gặp
Tại sao cần tối ưu phân bổ khí bơm ép trong khai thác dầu khí?
Việc tối ưu phân bổ khí bơm ép giúp sử dụng hiệu quả nguồn khí có giới hạn, tăng sản lượng khai thác, giảm chi phí vận hành và kéo dài tuổi thọ thiết bị như bơm điện chìm (ESP).Phần mềm Pipesim có vai trò gì trong nghiên cứu này?
Pipesim được sử dụng để xây dựng mô hình khai thác giếng và mạng lưới giếng, mô phỏng dòng chảy đa pha, khớp dữ liệu thực tế và tối ưu phân bổ khí bơm ép nhằm nâng cao hiệu quả khai thác.Làm thế nào để đảm bảo mô hình mô phỏng chính xác?
Mô hình được hiệu chỉnh bằng cách khớp dữ liệu áp suất và nhiệt độ đầu giếng với dữ liệu thực tế, đảm bảo sai số dưới 5%, từ đó mô phỏng chính xác điều kiện vận hành thực tế.Kết hợp bơm điện chìm và gaslift có lợi ích gì?
Kết hợp này giúp duy trì khai thác liên tục khi bơm ESP gặp sự cố, giảm tải cho bơm ESP, kéo dài tuổi thọ thiết bị và tăng sản lượng khai thác tổng thể.Phương pháp tối ưu khí bơm ép có thể áp dụng cho các mỏ khác không?
Có, phương pháp này có thể áp dụng cho các mỏ có điều kiện tương tự, đặc biệt là các mỏ có giếng dầu nặng, giếng ngập nước và sử dụng bơm điện chìm kết hợp gaslift.
Kết luận
- Luận văn đã xây dựng và hiệu chỉnh thành công mô hình khai thác giếng và mạng lưới giếng tại mỏ X – Y trên phần mềm Pipesim với sai số dưới 5%.
- Tối ưu phân bổ khí bơm ép gaslift đồng thời với vận hành bơm điện chìm (ESP) giúp tăng sản lượng khai thác khoảng 500 thùng/ngày, tương đương 8-10%.
- Giảm tải cho bơm ESP khoảng 15-20% giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí bảo trì.
- Giải pháp tối ưu mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt, giảm chi phí xử lý nước và tăng doanh thu.
- Đề xuất áp dụng giải pháp trong vòng 6-12 tháng, đồng thời nâng cao năng lực vận hành và tiếp tục nghiên cứu mở rộng cho các mỏ khác.
Hành động tiếp theo: Các đơn vị vận hành mỏ nên triển khai áp dụng mô hình tối ưu khí bơm ép kết hợp ESP, đồng thời tăng cường thu thập dữ liệu và đào tạo nhân sự để nâng cao hiệu quả khai thác bền vững.