Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp dầu khí giữ vai trò huyết mạch trong nền kinh tế quốc dân, đóng góp từ 20% đến 30% tổng giá trị xuất khẩu của Việt Nam và bảo đảm an ninh năng lượng chiến lược. Tuy nhiên, sau nhiều năm khai thác liên tục, các mỏ dầu chủ lực tại thềm lục địa đang bước vào giai đoạn suy thoái tự nhiên. Áp suất vỉa sụt giảm nhanh chóng khiến các giếng tự phun mất dần khả năng sinh dòng, trong khi tỷ lệ ngập nước (BS&W) tăng đột biến lên mức 85% đến 90%. Thực trạng này đòi hỏi phải chuyển dịch sang các phương pháp khai thác thứ cấp và nhân tạo để duy trì sản lượng thương phẩm.

Luận văn tập trung giải quyết bài toán phân tích thủy lực và tối ưu hóa chế độ công nghệ cho mỏ X – Y. Cụm mỏ tọa lạc tại khu vực Đông Bắc bồn trũng Cửu Long, cách bờ biển Vũng Tàu khoảng 160 km về hướng Đông, có diện tích khai thác 115,81 km2 tại vùng nước sâu từ 64,9 đến 68,1 mét. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng mô hình mô phỏng thủy lực hoàn chỉnh, đánh giá tương quan dòng chảy và tái phân bổ lưu lượng khí nâng (Gaslift) trong điều kiện giới hạn nguồn khí nén sẵn có là 4,4 triệu bộ khối khí/ngày. Đồng thời, nghiên cứu đánh giá hiệu quả của giải pháp vận hành đồng thời khí nâng và bơm điện chìm (ESP) cho 15 giếng khai thác tại hai giàn đầu giếng WHP X và WHP Y kết nối về tàu chứa và xử lý dầu khí FPSO công suất 18.000 thùng dầu/ngày.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài được thể hiện qua kết quả gia tăng sản lượng dầu toàn mỏ thêm khoảng 500 thùng/ngày, giảm tải công suất tiêu thụ điện và áp suất đầu ra cho hệ thống bơm ESP, đồng thời kéo dài tuổi thọ làm việc của thiết bị ngầm trong giai đoạn khai thác 2023 - 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy lực dòng chảy đa pha trong môi trường vỉa và ống khai thác. Mô hình vận chuyển chất lưu dựa trên phương trình bảo toàn năng lượng nhiệt động lực học và định luật Darcy mở rộng. Để tính toán độ suy giảm áp suất dọc theo chuỗi ống khai thác, hệ số ma sát Fanning được xác định thông qua tương quan thực nghiệm của Chen năm 1979 và biểu đồ Moody, phân định rõ ràng giữa trạng thái dòng chảy tầng khi hệ số Reynolds dưới 2.000 và dòng chảy hỗn loạn khi hệ số Reynolds vượt ngưỡng 2.100.

Đường cong quan hệ hiệu suất dòng vào (IPR) được thiết lập dựa trên mô hình Vogel năm 1968 áp dụng cho các vỉa dầu bão hòa đa pha dưới áp suất điểm bọt khí, kết hợp cùng phương pháp Fetkovich năm 1973 để dự báo khả năng sinh dòng tối đa (AOF) và sự suy giảm áp suất trong tương lai. Luận văn vận dụng kỹ thuật phân tích điểm nút (Nodal Analysis) làm công cụ cốt lõi. Bằng cách thiết lập điểm nút tại đáy giếng và đầu giếng, nghiên cứu xác định giao điểm cân bằng giữa khả năng cung cấp dòng của vỉa (IPR) và lực cản vận chuyển của chuỗi ống khai thác (TPR), từ đó giải quyết bài toán phi tuyến tính về tỷ lệ khí - dầu (GOR), chỉ số khai thác (PI) và độ ngập nước.

Phương pháp nghiên cứu

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ 15 giếng khai thác thực tế phân bố tại hai giàn đầu giếng WHP X (8 giếng) và WHP Y (10 giếng, trong đó 6 giếng vận hành bơm ESP). Phương pháp chọn mẫu chủ đích toàn diện toàn bộ mạng lưới được áp dụng nhằm phản ánh chính xác cấu trúc thủy lực phức tạp của mỏ. Nguồn dữ liệu đầu vào thu thập từ nhật ký vận hành thực địa, bao gồm áp suất vỉa ban đầu khoảng 3.150 đến 3.201 psia, nhiệt độ đáy giếng 215,6 độ F, biến thiên địa nhiệt theo chiều sâu, dữ liệu khảo sát áp suất - nhiệt độ đáy giếng (DHG), cùng các báo cáo phân tích tính chất chất lưu PVT.

Về phương pháp phân tích, tác giả lựa chọn phần mềm chuyên ngành PIPESIM kết hợp Prosper để xây dựng mô hình số trị cho từng giếng đơn lẻ và tích hợp thành mô hình mạng khai thác (Network Model). Lý do lựa chọn PIPESIM là khả năng xử lý xuất sắc các tương quan dòng chảy cơ học (mechanistic models), cho phép mô phỏng chính xác tương tác thủy lực giữa hệ thống giếng khoan, mạng đường ống ngầm nội mỏ dài 2.000 đến 2.500 mét và hệ thống tiếp nhận trên tàu FPSO. Quy trình hiệu chỉnh dữ liệu (history matching) được thực hiện nghiêm ngặt qua việc phân tích độ nhạy hệ số xả qua van tiết lưu choke (Cd), hệ số giữ lỏng và chỉ số PI trong mốc thời gian từ tháng 09/2023 đến tháng 01/2024.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và hiệu chỉnh trên phần mềm PIPESIM đã đem lại 4 kết quả quan trọng:

Thứ nhất, quy trình khớp hóa dữ liệu lịch sử đạt độ chính xác cao. Bằng cách áp dụng tương quan dòng chảy mechanistic và tinh chỉnh hệ số xả choke Cd trong khoảng 0,8 đến 1,0, sai số giữa áp suất và nhiệt độ tính toán so với số liệu đo thực tế tại đầu giếng được khống chế ở mức dưới 2,8%.

Thứ hai, tối ưu hóa phân bổ khí nâng (Gas Lift Optimization - GLO) mang lại bước nhảy vọt về sản lượng. Với tổng lưu lượng khí nén cố định của toàn mỏ là 4,4 triệu bộ khối khí/ngày, kịch bản phân bổ mới giúp tổng sản lượng khai thác tăng thêm khoảng 500 thùng dầu/ngày so với chế độ vận hành cơ sở trước đó, tương ứng mức tăng trưởng khoảng 3,8% sản lượng dầu thương phẩm.

Thứ ba, giải pháp kết hợp đồng thời bơm ép khí nâng và bơm điện chìm (ESP) tại 6 giếng ngập nước cao thuộc giàn WHP Y chứng minh tính khả thi vượt trội. Khí nâng được bơm vào vành xuyến giúp giảm tỷ trọng cột chất lưu phía trên bơm, giảm áp suất đầu ra và cho phép hạ tần số hoạt động của bơm từ 58 Hz xuống 50 Hz. Giải pháp này giúp hạ nhiệt độ động cơ ngầm khoảng 12 độ C, giảm thiểu nguy cơ quá nhiệt và nâng cao tuổi thọ vận hành liên tục của bơm thêm 25%.

Thứ tư, phân tích điểm nút chỉ ra rằng hiệu quả sử dụng khí nâng đạt mức cao nhất tại các giếng có chỉ số PI lớn và độ ngập nước dao động từ 70% đến 85%, trong khi các giếng có độ ngập nước vượt quá 92% cần ưu tiên lực nâng cơ học từ ESP. Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua hệ thống đồ thị tương quan IPR - TPR và bảng tổng hợp cân bằng lưu lượng khí cho từng đầu giếng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp tăng thêm 500 thùng dầu/ngày nằm ở việc xóa bỏ tình trạng phân bổ khí nâng cào bằng. Việc điều chuyển lưu lượng khí từ các giếng có độ dốc hiệu suất thấp sang các giếng có tiềm năng dòng chảy cao đã tối ưu hóa gradient áp suất dọc thân giếng, chuyển đổi chế độ dòng từ dạng sủi bọt ngắt quãng sang dòng sương ổn định.

So sánh với công trình của Mariana Carvalho năm 2016 và nghiên cứu tại bồn trũng Cửu Long của Nguyễn Hải An năm 2019, nghiên cứu này có tính thực tiễn cao hơn khi giải quyết trọn vẹn bài toán áp suất ngược (backpressure) phát sinh từ hệ thống đường ống ngầm 2.000 mét và giới hạn tiếp nhận 27.000 thùng chất lỏng/ngày của FPSO. Kết quả khẳng định việc vận hành song song Gaslift và ESP không chỉ tối đa hóa hệ số thu hồi dầu mà còn tạo lập cơ chế dự phòng an toàn, bảo đảm giếng duy trì dòng chảy liên tục kể cả khi bơm điện chìm gặp sự cố kỹ thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả tính toán thủy lực, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

  1. Tái lập kịch bản phân bổ lưu lượng khí nâng toàn mỏ: Đội ngũ Kỹ sư Vận hành Khai thác cần tiến hành điều chỉnh van tiết lưu tại 15 giếng theo bảng phân bổ tối ưu từ phần mềm PIPESIM, bảo đảm khai thác triệt để nguồn khí 4,4 triệu bộ khối khí/ngày nhằm duy trì sản lượng bổ sung 500 thùng dầu/ngày, thực hiện hoàn thành trong Quý II/2024.
  2. Áp dụng quy trình vận hành kép Gaslift kết hợp ESP: Phòng Kỹ thuật Khai thác cần ban hành quy chuẩn điều khiển tần số làm việc của 6 cụm bơm ESP trong dải an toàn từ 48 đến 52 Hz song song với bơm ép khí liên tục, hướng tới mục tiêu kéo dài thời gian hoạt động liên tục của thiết bị ngầm lên trên 36 tháng, triển khai ngay từ tháng 04/2024.
  3. Nâng cấp hệ thống giám sát và khớp dữ liệu thời gian thực: Ban Quản lý Dự án tự động hóa cần đầu tư tích hợp cảm biến đo áp suất - nhiệt độ đáy giếng (DHG) và miệng giếng vào hệ thống SCADA, thiết lập quy trình tự động cập nhật mô hình PIPESIM định kỳ hàng tuần trong giai đoạn 2024 - 2025.
  4. Định kỳ khảo sát vỉa và đánh giá rủi ro ngập nước: Đơn vị Quản lý Vỉa và Khai thác cần tổ chức đo kiểm tra độ ngập nước (BS&W) và áp suất tĩnh vỉa 3 tháng một lần cho từng giếng, cập nhật lại các kịch bản phân bổ khí khi độ ngập nước của giếng vượt ngưỡng 90%, duy trì tính bền vững đến năm 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp luận của công trình mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng:

  1. Kỹ sư khai thác dầu khí và chuyên viên tối ưu hóa sản xuất: Nắm bắt quy trình xây dựng mô hình giếng đơn, kỹ thuật matching dữ liệu áp suất nhiệt độ trên PIPESIM và phương pháp thiết kế lưu lượng khí nâng tối ưu cho từng điều kiện vỉa.
  2. Nhà quản trị mỏ và lãnh đạo doanh nghiệp dầu khí: Tiếp cận cơ sở luận cứ kinh tế - kỹ thuật để ra quyết định đầu tư, tối ưu hóa chi phí vận hành (Opex) trên các giàn đầu giếng và nâng cao hệ số thu hồi dầu mà không cần gia tăng công suất máy nén khí 18 triệu bộ khối/ngày.
  3. Chuyên gia mô phỏng thủy lực và công nghệ vỉa: Tham khảo phương pháp phân tích điểm nút kết hợp mô hình mạng đường ống ngầm nội mỏ dài 2.000 đến 2.500 mét kết nối về tàu FPSO trong điều kiện dòng chảy đa pha phức tạp.
  4. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Dầu khí: Khai thác làm tài liệu tham khảo học thuật chuyên sâu về các phương pháp khai thác nhân tạo tiên tiến, bài toán quy hoạch phi tuyến và ứng dụng phần mềm chuyên ngành trong nghiên cứu thực địa.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần kết hợp đồng thời bơm ép khí nâng và bơm điện chìm ESP? Việc kết hợp đồng thời giúp khí nâng làm nhẹ cột chất lưu phía trên bơm, giảm áp suất đầu ra và giảm công suất tải điện cho động cơ ESP. Giải pháp này giúp hạ nhiệt độ cuộn dây động cơ từ 10 đến 15 độ C, kéo dài tuổi thọ bơm trên 25% và duy trì sản lượng liên tục khi bơm gặp sự cố.

Cơ chế nào giúp gia tăng 500 thùng dầu/ngày mà không cần tăng tổng lượng khí nén? Phần mềm PIPESIM phân tích độ dốc biên hiệu suất của từng giếng trong tổng số 15 giếng. Bằng cách cắt giảm khí tại các giếng ngập nước quá cao và dồn lưu lượng khí nén 4,4 triệu bộ khối/ngày vào các giếng có chỉ số PI cao, hệ thống đạt được lưu lượng dầu tổng thể lớn nhất.

Quy trình khớp hóa dữ liệu lịch sử trong phần mềm PIPESIM gồm những bước nào? Quy trình gồm 4 bước: nhập thông số hình học giếng và biến thiên địa nhiệt, lựa chọn tương quan dòng chảy mechanistic, hiệu chỉnh hệ số giữ lỏng và phân tích độ nhạy hệ số xả choke Cd từ 0,8 đến 1,0. Khi sai số áp suất đầu giếng đạt dưới 3%, mô hình được kết nối vào mạng lưới toàn mỏ.

Độ ngập nước 85% đến 90% ảnh hưởng như thế nào đến hiệu quả khai thác Gaslift? Hàm lượng nước cao làm tăng khối lượng riêng của hỗn hợp chất lưu, đòi hỏi thể tích khí nâng lớn hơn để thắng cột áp thủy tĩnh. Lượng dầu khai thác trên một đơn vị khí nén giảm mạnh, do đó việc kết hợp bơm điện chìm là bắt buộc để duy trì tính kinh tế của mỏ.

Giải pháp trong luận văn có thể áp dụng cho các mỏ dầu khác không? Quy trình mô hình hóa mạng lưới và giải thuật phân bổ tối ưu hóa khí nâng hoàn toàn có thể chuyển giao và áp dụng cho các mỏ dầu đang suy kiệt tại Bồn trũng Cửu Long và thềm lục địa khu vực có điều kiện địa chất và công nghệ khai thác tương đồng.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình mô phỏng thủy lực số trị cho toàn bộ 15 giếng khai thác và mạng lưới đường ống ngầm tại mỏ X – Y trên nền tảng phần mềm PIPESIM.
  • Chứng minh giải pháp tái phân bổ 4,4 triệu bộ khối khí nâng/ngày giúp gia tăng sản lượng toàn mỏ thêm khoảng 500 thùng dầu/ngày mà không phát sinh chi phí đầu tư thiết bị nén mới.
  • Xác lập cơ sở khoa học cho giải pháp vận hành song song Gaslift và bơm điện chìm ESP, giúp hạ nhiệt độ làm việc của bơm và tăng tuổi thọ thiết bị cơ điện thêm 25%.
  • Hoàn thiện quy trình chuẩn hóa và hiệu chỉnh dữ liệu lịch sử với độ chính xác cao, khống chế sai số áp suất và nhiệt độ đầu giếng ở mức dưới 2,8%.
  • Đóng góp giải pháp công nghệ khai thác then chốt nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế và duy trì sản lượng cho các mỏ dầu ngoài khơi Việt Nam trong giai đoạn ngập nước cao 85% đến 90%.

Về kế hoạch triển khai tiếp theo, các đơn vị vận hành cần phối hợp áp dụng bảng thông số điều tiết van khí nâng trên thực địa ngay trong Quý II/2024, đồng thời hướng tới hoàn thiện hệ thống tự động hóa điều khiển thời gian thực trong giai đoạn 2024 - 2025. Các doanh nghiệp và kỹ sư khai thác hãy chủ động ứng dụng mô hình phân tích điểm nút và tối ưu hóa mạng lưới đường ống PIPESIM để nâng cao hiệu suất khai thác mỏ và tiết giảm hàng triệu USD chi phí vận hành hàng năm.