Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành kỹ thuật dầu khí, việc dự báo nhanh và chính xác tổng lượng dầu khai thác từ các vỉa bơm ép nước đóng vai trò quan trọng trong tối ưu hóa khai thác và nâng cao hiệu quả kinh tế của mỏ. Theo ước tính, các mỏ dầu trên thế giới có tỷ lệ khai thác dầu còn lại lớn do nguồn năng lượng tự nhiên trong vỉa cạn kiệt hoặc bị tác động phức tạp bởi các yếu tố bên ngoài. Mô hình Điện dung – Điện trở (Capacitance-Resistance Model - CRM) được phát triển dựa trên sự tương tự giữa mạch điện RC và dòng chảy chất lưu trong vỉa, đã trở thành một công cụ hiệu quả để dự báo lưu lượng khai thác và đánh giá hiệu quả bơm ép nước trong giai đoạn thu hồi dầu thứ cấp.

Tuy nhiên, các mô hình CRM truyền thống chủ yếu tập trung vào các vỉa đã cạn kiệt nguồn năng lượng tự nhiên, chưa giải quyết triệt để các vỉa bơm ép nước trong giai đoạn đầu còn chịu ảnh hưởng của năng lượng tự nhiên gây nhiễu dữ liệu khai thác. Luận văn này nhằm phát triển mô hình CRM mở rộng (CRMe) bằng cách đưa vào một giếng bơm ép giả định đại diện cho nguồn năng lượng tự nhiên còn tồn đọng trong vỉa, từ đó phân tách rõ ràng ảnh hưởng của năng lượng tự nhiên và năng lượng bơm ép thực tế. Nghiên cứu áp dụng mô hình này cho vỉa X thuộc bồn trũng Cửu Long, Việt Nam, với 4 giếng khai thác và 2 giếng bơm ép, trong giai đoạn chưa bão hòa dầu – nước.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là phát triển mô hình CRM mở rộng để ước tính nhanh tổng lượng dầu khai thác cộng dồn, đánh giá mức độ tương tác giữa các giếng, và dự báo khai thác cho giai đoạn tiếp theo. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào dữ liệu khai thác và bơm ép từ năm 2018 đến 2021 tại vỉa X, với ý nghĩa thực tiễn giúp các kỹ sư khai thác có thêm công cụ dự báo hiệu quả, đồng thời đóng góp lý thuyết về mô hình CRM cho các vỉa có cơ chế năng lượng phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Mô hình CRM được xây dựng dựa trên mối tương quan giữa mạch điện RC và dòng chảy chất lưu trong vỉa dầu. Trong đó:

  • Hằng số thời gian (𝜏): đại diện cho thời gian phản hồi của vỉa khi có sự thay đổi lưu lượng bơm ép, tương tự như thời gian nạp điện trong mạch RC, được xác định khi lưu lượng khai thác đạt 63,2% giá trị ổn định.
  • Hệ số kết nối (fᵢⱼ): biểu thị mức độ ảnh hưởng của giếng bơm ép i đến giếng khai thác j, tổng các hệ số kết nối từ một giếng bơm ép không vượt quá 1.
  • Hệ số năng suất (J): phản ánh khả năng khai thác của giếng, liên quan đến đặc tính thấm và áp suất vỉa.

Các mô hình CRM cơ bản gồm:

  1. CRMT: Mô hình kiểm soát toàn mỏ, xem toàn bộ mỏ như một giếng khai thác và một giếng bơm ép giả định.
  2. CRMP: Mô hình kiểm soát cho một giếng khai thác và nhiều giếng bơm ép xung quanh.
  3. CRMIP: Mô hình kiểm soát cho từng cặp giếng bơm ép – khai thác riêng biệt.
  4. ICRM: Mô hình điện dung – điện trở tích hợp, sử dụng tổng lượng nước bơm ép cộng dồn và tổng lượng chất lưu khai thác cộng dồn để ước tính nhanh.

Ngoài ra, mô hình tỷ số dòng thực nghiệm Gentil được áp dụng để xác định lưu lượng dầu từ tổng lưu lượng chất lưu khai thác, dựa trên mối quan hệ phi tuyến giữa tỷ số lưu lượng nước trên dầu (WOR) và tổng lượng nước bơm ép cộng dồn (Wi).

Mô hình CRM mở rộng (CRMe) được phát triển bằng cách thêm một giếng bơm ép giả định đại diện cho nguồn năng lượng tự nhiên còn tồn đọng trong vỉa, với lưu lượng bơm ép giả định là biến số cùng với hằng số thời gian và hệ số kết nối. Điều này cho phép phân tách và đánh giá riêng biệt ảnh hưởng của năng lượng tự nhiên và năng lượng bơm ép thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ vỉa X thuộc bồn trũng Cửu Long, Việt Nam, gồm 4 giếng khai thác và 2 giếng bơm ép, trong giai đoạn thu hồi dầu thứ cấp chưa bão hòa, với dữ liệu lưu lượng bơm ép, lưu lượng khai thác, áp suất đáy giếng và tổng lượng nước bơm ép cộng dồn từ năm 2018 đến 2021.

Phương pháp phân tích sử dụng:

  • Hồi quy không tuyến tính đa biến để xác định các thông số biến của mô hình CRM (hệ số kết nối, hằng số thời gian, hệ số năng suất) dựa trên dữ liệu lịch sử khai thác và bơm ép.
  • Hồi quy tuyến tính áp dụng cho mô hình ICRM nhằm đơn giản hóa tính toán tổng lượng dầu khai thác cộng dồn.
  • Ứng dụng Solver trong Excel với thuật toán GRG nonlinear để tối ưu các tham số mô hình.
  • Mô hình tỷ số dòng Gentil mở rộng để ước tính lưu lượng dầu từ tổng lưu lượng chất lưu khai thác.
  • So sánh kết quả mô hình CRM mở rộng với dữ liệu thực tế và các mô hình CRM truyền thống để đánh giá độ chính xác và hiệu quả.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 6/2020 đến tháng 3/2022, bao gồm các bước thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, tính toán, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình CRM mở rộng (CRMe) cho phép ước tính nhanh và chính xác tổng lượng dầu khai thác cộng dồn: Kết quả áp dụng cho vỉa X cho thấy sai số giữa dự báo và dữ liệu thực tế dưới 5%, với hệ số xác định R² đạt khoảng 0.92, cao hơn so với mô hình CRM truyền thống (R² khoảng 0.85).

  2. Phân tách rõ ràng ảnh hưởng của năng lượng tự nhiên và năng lượng bơm ép thực tế: Thông số lưu lượng bơm ép giả định của giếng ảo đại diện cho năng lượng tự nhiên giảm dần theo thời gian, từ khoảng 500 bbl/ngày năm 2018 xuống còn khoảng 150 bbl/ngày năm 2021, phản ánh sự suy giảm năng lượng tự nhiên trong vỉa.

  3. Hệ số kết nối giữa các giếng bơm ép và giếng khai thác biến đổi theo thời gian và vị trí: Giếng bơm ép số 1 có hệ số kết nối trung bình 0.65 với giếng khai thác số 2, trong khi giếng bơm ép số 2 có hệ số kết nối thấp hơn, khoảng 0.35, cho thấy mức độ ảnh hưởng khác nhau của từng giếng bơm ép đến khai thác.

  4. Mô hình Gentil mở rộng cho phép ước tính lưu lượng dầu từ tổng lưu lượng chất lưu với sai số trung bình dưới 7%: Điều này giúp nâng cao độ tin cậy trong dự báo lợi nhuận khai thác và hỗ trợ quyết định kỹ thuật.

Thảo luận kết quả

Việc bổ sung giếng bơm ép giả định trong mô hình CRMe giúp giải quyết vấn đề nhiễu dữ liệu do năng lượng tự nhiên còn tồn đọng trong vỉa, điều mà các mô hình CRM truyền thống chưa xử lý hiệu quả. Sự giảm dần lưu lượng bơm ép giả định phản ánh chính xác quá trình suy giảm năng lượng tự nhiên, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vỉa bơm ép nước trong giai đoạn thu hồi dầu thứ cấp.

Hệ số kết nối biến đổi theo vị trí và thời gian cho thấy sự tương tác phức tạp giữa các giếng, đồng thời cung cấp cơ sở để điều chỉnh lưu lượng bơm ép nhằm tối ưu hóa khai thác. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu tại các bồn trũng dầu khí khác, khẳng định tính ứng dụng rộng rãi của mô hình.

Việc áp dụng mô hình Gentil mở rộng giúp chuyển đổi lưu lượng chất lưu thành lưu lượng dầu một cách hiệu quả, hỗ trợ đánh giá kinh tế dự án khai thác. Các biểu đồ so sánh lưu lượng dầu dự báo và thực tế, cũng như bảng thống kê sai số, minh họa rõ ràng hiệu quả của mô hình.

Tổng thể, mô hình CRM mở rộng không chỉ nâng cao độ chính xác dự báo mà còn giúp kỹ sư khai thác hiểu rõ hơn về cơ chế năng lượng trong vỉa, từ đó đưa ra các quyết định kỹ thuật phù hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình CRM mở rộng cho các vỉa bơm ép nước trong giai đoạn đầu thu hồi dầu thứ cấp nhằm nâng cao độ chính xác dự báo tổng lượng dầu khai thác, đặc biệt tại các mỏ có nguồn năng lượng tự nhiên còn tồn đọng. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; Chủ thể: các công ty khai thác dầu khí.

  2. Tăng cường thu thập và cập nhật dữ liệu lưu lượng bơm ép, lưu lượng khai thác và áp suất đáy giếng để đảm bảo tính chính xác của mô hình, đồng thời hỗ trợ phân tích biến động hệ số kết nối và hằng số thời gian theo thời gian. Thời gian: liên tục; Chủ thể: đội ngũ kỹ thuật vận hành mỏ.

  3. Phát triển phần mềm hỗ trợ tính toán mô hình CRM mở rộng tích hợp mô hình Gentil mở rộng nhằm tự động hóa quá trình dự báo và phân tích, giảm thiểu sai sót do thao tác thủ công. Thời gian: 12 tháng; Chủ thể: phòng nghiên cứu và phát triển công nghệ.

  4. Đào tạo kỹ sư khai thác về phương pháp CRM mở rộng và ứng dụng thực tế để nâng cao năng lực phân tích và dự báo khai thác, từ đó tối ưu hóa chiến lược bơm ép nước. Thời gian: 3-6 tháng; Chủ thể: các trường đại học, trung tâm đào tạo chuyên ngành dầu khí.

  5. Tiến hành nghiên cứu mở rộng mô hình CRM cho các loại vỉa có đặc tính phức tạp hơn như vỉa dầu nặng, vỉa có tầng nước đáy hoặc vỉa có khí tự do nhằm đa dạng hóa phạm vi ứng dụng của mô hình. Thời gian: 18-24 tháng; Chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư khai thác dầu khí: Nắm bắt phương pháp dự báo khai thác nhanh và chính xác, áp dụng mô hình CRM mở rộng để tối ưu hóa chiến lược bơm ép nước, nâng cao hiệu quả khai thác mỏ.

  2. Nhà quản lý dự án dầu khí: Sử dụng kết quả dự báo và phân tích mô hình để đưa ra quyết định đầu tư, điều chỉnh kế hoạch khai thác phù hợp với biến động năng lượng vỉa và hiệu quả kinh tế.

  3. Nhà nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành kỹ thuật dầu khí: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và kết quả ứng dụng mô hình CRM mở rộng để phát triển các nghiên cứu tiếp theo hoặc giảng dạy chuyên sâu.

  4. Các công ty phần mềm và công nghệ dầu khí: Phát triển các công cụ hỗ trợ tính toán mô hình CRM mở rộng, tích hợp mô hình Gentil mở rộng, nâng cao khả năng tự động hóa và chính xác trong dự báo khai thác.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình CRM mở rộng khác gì so với mô hình CRM truyền thống?
    Mô hình CRM mở rộng bổ sung một giếng bơm ép giả định đại diện cho nguồn năng lượng tự nhiên còn tồn đọng trong vỉa, giúp phân tách và đánh giá riêng biệt ảnh hưởng của năng lượng tự nhiên và năng lượng bơm ép thực tế, từ đó nâng cao độ chính xác dự báo.

  2. Làm thế nào để xác định các thông số biến trong mô hình CRM?
    Các thông số như hằng số thời gian, hệ số kết nối và hệ số năng suất được xác định bằng phương pháp hồi quy không tuyến tính đa biến dựa trên dữ liệu lịch sử lưu lượng bơm ép, lưu lượng khai thác và áp suất đáy giếng, sử dụng công cụ Solver trong Excel.

  3. Mô hình Gentil mở rộng được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Mô hình Gentil mở rộng dùng để ước tính lưu lượng dầu từ tổng lưu lượng chất lưu khai thác dự báo bởi mô hình CRM, dựa trên mối quan hệ phi tuyến giữa tỷ số lưu lượng nước trên dầu (WOR) và tổng lượng nước bơm ép cộng dồn (Wi), giúp đánh giá lợi nhuận khai thác chính xác hơn.

  4. Mô hình CRM mở rộng có thể áp dụng cho các loại vỉa khác không?
    Hiện tại mô hình CRM mở rộng được phát triển cho vỉa bơm ép nước trong giai đoạn thu hồi dầu thứ cấp còn năng lượng tự nhiên tác động. Tuy nhiên, nghiên cứu đề xuất mở rộng ứng dụng cho các vỉa phức tạp hơn như vỉa dầu nặng hoặc có tầng nước đáy trong tương lai.

  5. Lợi ích thực tiễn của mô hình CRM mở rộng đối với công tác khai thác là gì?
    Mô hình giúp dự báo nhanh và chính xác tổng lượng dầu khai thác, đánh giá hiệu quả từng giếng bơm ép, phân tách nguồn năng lượng, từ đó hỗ trợ tối ưu hóa chiến lược bơm ép, giảm chi phí vận hành và tăng hệ số thu hồi dầu.

Kết luận

  • Mô hình CRM mở rộng (CRMe) là bước tiến quan trọng trong dự báo khai thác dầu từ vỉa bơm ép nước còn chịu ảnh hưởng năng lượng tự nhiên, giúp phân tách rõ ràng hai nguồn năng lượng chính.
  • Ứng dụng mô hình cho vỉa X tại bồn trũng Cửu Long cho kết quả dự báo tổng lượng dầu cộng dồn sát với thực tế, sai số dưới 5%, nâng cao độ tin cậy so với mô hình CRM truyền thống.
  • Mô hình Gentil mở rộng hỗ trợ ước tính lưu lượng dầu từ tổng lưu lượng chất lưu, góp phần đánh giá kinh tế dự án khai thác hiệu quả.
  • Phương pháp hồi quy không tuyến tính và tuyến tính được áp dụng hiệu quả trong xác định các thông số biến của mô hình, sử dụng công cụ Solver trong Excel giúp đơn giản hóa tính toán.
  • Đề xuất tiếp tục phát triển mô hình cho các loại vỉa phức tạp hơn và xây dựng phần mềm hỗ trợ tính toán tự động, đồng thời đào tạo kỹ sư khai thác để ứng dụng rộng rãi.

Next steps: Triển khai áp dụng mô hình CRM mở rộng cho các mỏ khác tại Việt Nam, phát triển công cụ phần mềm hỗ trợ, và nghiên cứu mở rộng mô hình cho các vỉa dầu nặng, vỉa có tầng nước đáy.

Call to action: Các kỹ sư và nhà quản lý trong ngành dầu khí nên cân nhắc áp dụng mô hình CRM mở rộng để nâng cao hiệu quả khai thác và tối ưu hóa chiến lược bơm ép nước, đồng thời phối hợp với các viện nghiên cứu để phát triển công nghệ dự báo hiện đại hơn.