Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật khai thác và công nghệ dầu khí: Khảo sát các phương án kiểm soát hiệu quả khai thác cho giếng 11P ở vỉa đa tầng dựa trên số liệu PLT

TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG ÁN KIỂM SOÁT HIỆU QUẢ KHAI THÁC CHO GIẾNG 11P Ở VỈA ĐA TẦNG DỰA TRÊN SỐ LIỆU PLT NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Hệ thống hóa chế độ dòng chảy, mô hình dòng chả

HUỲNH THANH TÙNG

KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG ÁN KIỂM SOÁT HIỆU QUẢ KHAI THÁC CHO GIẾNG 11P Ở VỈA ĐA TẦNG

DỰA TRÊN SỐ LIỆU PLT

Chuyên ngành: Kỹ thuật khoan khai thác và công nghệ dầu khí Mã số: 605350

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật khoan khai thác và công nghệ dầu khí Mã số: 6 0 5 3 5 0

I TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG ÁN KIỂM SOÁT HIỆU QUẢ KHAI THÁC CHO GIẾNG 11P Ở VỈA ĐA TẦNG DỰA TRÊN SỐ LIỆU PLT

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Hệ thống hóa chế độ dòng chảy, mô hình dòng chảy, phương pháp luận trong tính toán - Mô tả ứng xử pha của hỗn hợp dầu khí trong giếng khai thác

- Khảo sát các mô hình dòng chảy và lựa chọn mô hình thích hợp nhất cho giếng 11P - Hiệu chỉnh mô hình để sai số tính toán nhỏ nhất

- Ứng dụng mô hình, số liệu phân tích có được vào mô phỏng hoạt động khai thác giếng 11P, đồng thời đưa ra các phương án kiểm soát khai thác hiệu quả vỉa đa tầng

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/2011

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/2012 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Mai Cao Lân

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

Được sự quan tâm và hướng dẫn nhiệt tình và sát sao của TS Mai Cao Lân, Chủ nhiệm Bộ môn Khoan & Khai thác Dầu khí, Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí, tác giả đã tìm ra hướng đi đúng cũng như cách giải quyết hầu hết các vấn đề trong luận văn Thầy không những dạy tôi kiến thức mà còn dạy cho tôi cách nghiên cứu cũng như xây dựng mô hình mô phỏng để có thể áp dụng trong thực tế Bên cạnh những điều đó, Thầy còn giúp tôi trong việc cải thiện cách diễn đạt và kỹ năng viết Tôi thực sự ấn tượng với những điều đó và tự hào khi được học tại ngôi trường Đại học Bách Khoa

Xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ và giảng dạy nhiệt tình của Quý Thầy/Cô ở Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt quãng thời gian Đại học và Cao học

Tôi muốn gởi lời cảm ơn tới những người bạn đồng nghiệp của tôi ở Công ty dịch vụ Kỹ thuật Dầu khí Schlumberger Đặc biệt Tiến Sĩ Ihsan Gok và ông Colin Whittaker đã dành thời gian xem xét những mô hình tính toán cũng như đưa ra những lời khuyên hữu ích trong quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng, tôi gởi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã giúp đỡ và động viên tác giả trong suốt thời gian qua

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hiện nay, khó khăn của một số giếng đang gặp trong khai thác đó là lưu lượng nước trên bề mặt tăng lên đáng kể và vấn đề nước chảy ra từ tầng nào trong vỉa đa tầng chưa được xác định chính xác Bên cạnh đó, lưu lượng khí, dầu giảm không như dự đoán ban đầu Đây chính là dấu hiệu của hiện tượng giếng ngập nước sau thời gian khai thác nhất định Chính vì vậy, kiểm soát và đánh giá hiệu quả khai thác của giếng là mối quan tâm hàng đầu, đồng thời kế hoạch sửa chữa giếng đưa ra phải thích hợp cả về thời gian và công nghệ Đối với vỉa đa tầng, xác định mức độ đóng góp lưu lượng chất lưu của từng tầng sản phẩm hay vùng bắn mở vỉa cũng như xác định chính xác vị trí nước khai thác ở các tầng gây ra không ít khó khăn

Do đó, để giải quyết những vấn đề nêu trên, lựa chọn mô hình dòng chảy thích hợp phản ánh chế độ dòng chảy trong giếng, từ đó tính toán chính xác lưu lượng của từng loại chất lưu riêng biệt dầu khí nước, cũng như vị trí nước khai thác từ số liệu PLT là vấn đề cần thực hiện trước tiên Từ việc tìm hiểu sâu mô hình, chọn ra các thông số cần thay đổi để hiệu chỉnh mô hình nhằm mục đích sai số tính toán nhỏ nhất Bên cạnh đó, phương pháp phân tích độ nhạy được sử dụng giúp đánh giá hiệu quả việc hiệu chỉnh sai số và hiệu quả khai thác

Điểm nổi bật của nghiên cứu này là hàng loạt các mô hình dòng chảy khác nhau được đưa vào khảo sát Từ việc khảo sát những mô hình dòng chảy này, một mô hình dòng chảy được lựa chọn thể hiện đặc trưng nhất dòng chảy của giếng thông qua đánh giá các chế độ dòng chảy, mức độ chính xác về tính toán lưu lượng từng tầng bắn mở vỉa Xác định vị trí nước khai thác cũng được phân tích, minh giải Như vậy, sau khi có được mô hình, hiệu chỉnh mô hình dòng chảy được thực hiện để giảm sai số giữa số liệu PLT và tính toán từ mô hình Những vấn đề nêu trên sẽ thực hiện chi tiết trong chương 3 Không dừng lại ở đó, mô hình sau khi hiệu chỉnh sử dụng vào mô phỏng

hoạt động giếng, đánh giá, kiểm soát hiệu quả khai thác của giếng ở các phương án khác nhau Những phương án và lập luận sẽ thể hiện trong cả chương 4

Bằng việc áp dụng mô hình tính toán, cùng kết quả minh giải PLT vào mô phỏng hoạt động giếng cũng như kiểm soát hiệu quả khai thác của giếng khai thác 11P, đề tài nghiên cứu đã đạt được một số kết quả như sau:

Dòng chảy trong giếng 11P đã được mô hình hóa dựa vào mô hình Petalas & Aziz sau khi khảo sát các mô hình khác Tuy nhiên, mô hình Petalas & Aziz có sai số dựa trên những mô hình thực nghiệm Để giảm sai số của mô hình này khi áp dụng trong giếng 11P dựa trên số liệu PLT, sai số nhỏ nhất đạt được nhờ vào phương pháp bình phương cực tiểu (phương pháp Least Square) Trong đó, tổng bình phương các sai lệch giữa số liệu tính toán từ phương pháp Petalas & Aziz với số liệu đo PLT phải tiến tới giá trị cực tiểu Kết quả tính toán thể hiện sai số tính toán cho giếng 11P đã giảm rõ rệt ở trước và sau khi hiệu chỉnh mô hình

Ngoài ra, ba phương án mô phỏng được chọn để khảo sát nhằm tìm ra biện pháp kiểm soát hiệu quả Ứng với từng phương án cụ thể, lưu lượng của từng loại chất lưu (dầu, khí, nước) ở từng vùng bắn mở vỉa cũng như tổng lưu lượng từng loại chất lưu ở điều kiện vỉa và điều kiện bề mặt cũng được tính toán cụ thể Sau khi khảo sát ba phương án khác nhau, hiệu quả khai thác giếng 11P được xem xét, đánh giá So sánh ba phương án với nhau, phương án 3 thể hiện lưu lượng khí khai thác tăng lên đáng kể và lưu lượng nước khai thác giảm

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả tính toán, mô hình thể hiện trong luận văn “Khảo sát các phương án kiểm soát hiệu quả khai thác cho giếng 11P ở vỉa đa tầng dựa trên số liệu PLT” do tôi nghiên cứu tìm ra, không thực hiện sao chép từ các nghiên

cứu khác Đề tài này chưa được công bố trên bất kỳ các tạp chí khoa học công nghệ nào Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với lời cam đoan của tôi trước nhà trường và pháp luật

TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2012

CHƯƠNG 1 SƠ LƯỢC VỀ GIẾNG KHOAN 11P 1

1.1 Cấu trúc giếng khoan 1

1.2 Hệ thống dầu khí và thành phần thạch học 3

1.3 Dữ liệu PVT giếng 11P 6

1.4 Tình hình khai thác và khó khăn của giếng 11P 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Chế độ dòng chảy trong giếng 8

2.1.1 Chế độ dòng chảy một loại chất lưu ở điều kiện vỉa 8

2.1.2 Chế độ dòng chảy nhiều loại chất lưu ở điều kiện vỉa 14

2.1.2.1 Mô tả các chế độ dòng chảy 14

2.1.2.2 Phương trình tính toán lưu lượng trong dòng chảy hai loại chất lưu 17

2.1.2.3 Các mô hình dòng chảy đang áp dụng hiện nay 19

2.1.3 Tìm hiểu mô hình dòng chảy Petalas & Aziz 29

2.2 Phương pháp tính toán sai số 32

2.2.1 Phương pháp vùng (Zoned approach) 32

2.2.2 Phương pháp liên tục 34

2.3 Kiểm chứng kết quả tính toán từ phần mềm Emeraude cho một trường hợp tiêu biểu……… 36

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH DÒNG CHẢY CHO GIẾNG 11P 39

3.1 Xử lý số liệu đầu vào 40

3.1.1 Số liệu tốc độ quay Spinner 41

3.1.2 Số liệu E-Probe thể hiện tỷ lệ nước Yw trong giếng 43

3.1.3 Số liệu O-Probe cung cấp tỷ lệ khí Yg trong giếng 43

3.1.4 Vận tốc chất lưu qua từng spinner 44

3.2 Mô tả ứng xử pha của hỗn hợp dầu khí trong giếng 45

3.3.1 Chế độ dòng chảy ứng với từng mô hình 51

3.3.2 Lưu lượng đóng góp từng vùng bắn mở vỉa ứng với từng mô hình 52

3.3.3 Vận tốc chất lưu, tỷ lệ khí Yg và tỷ lệ nước Yw ứng với từng mô hình 53

3.3.4 Lưu lượng trên bề mặt ứng với từng mô hình 54

3.4 Hiệu chỉnh mô hình dòng chảy cho giếng 11P theo số liệu PLT 55

3.4.1 Hiệu chỉnh thông số vận tốc chất lưu, tỷ lệ khí, tỷ lệ nước và vận tốc trượt giữa hai chất lưu 55

3.4.1.1 Vùng 1@ 3961 m – 3977 m MD (Phía trên tầng D1A) 55

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH DÒNG CHẢY VÀO VIỆC MÔ PHỎNG

HOẠT ĐỘNG KHAI THÁC GIẾNG 11P 62

4.1 Cơ sở lựa chọn các phương án 62

4.2 Phương án 1 63

4.2.1.Áp suất đầu giếng 300 psi 63

4.2.2.Áp suất đầu giếng 700 psi 65

4.2.3 Áp suất đầu giếng 1000 psi 66

4.2.4 So sánh lưu lượng chất lưu với áp suất đầu giếng khác nhau 67

4.2.4.1 So sánh lưu lượng chất lưu với áp suất đầu giếng khác nhau ở điều kiện vỉa 67

4.2.4.2 So sánh lưu lượng chất lưu với áp suất đầu giếng khác nhau ở điều kiện bề mặt 68

4.3 Phương án 2: Cách ly tầng S1 69

4.3.1 Áp suất đầu giếng 300 psi 69

4.3.2 Áp suất đầu giếng 500 psi 70

4.3.3 Áp suất đầu giếng 700 psi 71

4.3.4 Áp suất đầu giếng 1000 psi 72

4.3.5 So sánh lưu lượng chất lưu với áp suất đầu giếng khác nhau 74

4.3.5.1 So sánh lưu lượng chất lưu với áp suất đầu giếng khác nhau ở điều kiện vỉa 74

4.3.5.2 So sánh lưu lượng chất lưu với áp suất đầu giếng khác nhau ở điều kiện bề mặt 75

4.4 Phương án 3: Cách ly tầng S1 và mở rộng tầng bắn mở vỉa D1a 76

4.4.1 Áp suất đầu giếng 300 psi 76

4.4.2 Áp suất đầu giếng 500 psi 77

4.4.3 Áp suất đầu giếng 700 psi 78

4.4.4 Áp suất đầu giếng 1000 psi 79

4.4.4.1 So sánh lưu lượng chất lưu với áp suất đầu giếng khác nhau ở điều kiện vỉa 80 4.4.4.2 So sánh lưu lượng chất lưu với áp suất đầu giếng khác nhau

ở điều kiện bề mặt 80

4.5 So sánh kết quả khảo sát của ba phương án 81

4.5.1 So sánh lưu lượng khai thác khí của baphương án 81

4.5.2 So sánh lưu lượng khai thác dầu của ba phương án 82

4.5.3 So sánh lưu lượng khai thác nước của ba phương án 83

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Số

2.2 Các mô hình ứng dụng trong thực tế tương ứng với độ sâu nhất định 28

3.3 So sánh lưu lượng trên bề mặt từ ba phương pháp với số liệu bình

3.10 Lưu lượng khai thác trước khi hiệu chỉnh trong mô hình Petalas &

3.11 Lưu lượng khai thác sau khi hiệu chỉnh trong mô hình Petalas &

4.3 Lưu lượng khai thác khi áp suất bề mặt 1000 psi 66 4.4 Lưu lượng khai thác khi áp suất đầu giếng là 300 psi ở phương án 2 70 4.5 Lưu lượng khai thác khi áp suất đầu giếng là 500 psi ở phương án 2 71 4.6 Lưu lượng khai thác khi áp suất bề mặt là 700 psi ở phương án 2 72 4.7 Lưu lượng khai thác khi áp suất bề mặt là 1000 psi ở phương án 2 73 4.8 Lưu lượng khai thác khi áp suất đầu giếng là 300 psi ở phương án 3 77 4.9 Lưu lượng khai thác khi áp suất đầu giếng là 500 psi ở phương án 3 78 4.10 Lưu lượng khai thác khi áp suất đầu giếng là 700 psi ở phương án 3 79 4.11 Lưu lượng khai thác khi áp suất đầu giếng là 1000 psi ở phương án

DANH MỤC HÌNH VẼ

Số

2.2 Hệ số ma sát trong ống đối với dòng chảy tầng và dòng chảy rối 11

2.12 Mô hình dòng chảy của Beggs & Brill 24

2.20 Mô hình sai số trong cải thiện toàn bộ của phương pháp liên tục 35

3.11 Giãn đồ pha (phase envelope) của giếng 11P xây dựng từ số liệu

3.12 Tỷ trọng khí từ phòng thí nghiệm 48

3.13

Mối liên hệ áp suất với hệ số lệch khí Z

3.14

Mối liên hệ giữa áp suất và độ nhớt lưu biến của khí

3.15

Mối liên hệ giữa áp suất và độ nhớt của khí

3.17 Vận tốc dòng chảy, tỷ lệ khí và tỷ lệ nước giữa mô phỏng và số

3.18 Sai số tính toán của vận tốc chất lưu trước và sau khi hiệu chỉnh 58

3.21 Kết quả tính toán cuối cùng giếng 11P sau khi hiệu chỉnh mô

4.1 Lưu lượng khai thác khi áp suất đầu giếng 300 psi của phương án

Lưu lượng chất lưu trong điều kiện vỉa ứng với từng áp suất đầu

4.5

Lưu lượng chất lưu trong điều kiện bề mặt ứng với từng áp suất đầu giếng 300 psi, 500 psi, 700 psi và 1000 psi ở phương án 1 68 4.6 Lưu lượng khai thác khi áp suất đầu giếng 300 psi ở phương án 2 69 4.7 Lưu lượng khai thác khi áp suất đầu giếng 500 psi ở phương án 2 70

4.8 Lưu lượng khai thác khi áp suất đầu giếng 700 psi ở phương án 2 71 4.9 Lưu lượng khai thác khi áp suất đầu giếng 1000 psi ở phương án

4.10

Lưu lượng ba loại chất lưu trong điều kiện vỉa ứng với từng áp suất đầu giếng 300 psi, 500 psi, 700 psi và 1000 psi ở phương án 2

74

4.11

Lưu lượng ba loại chất lưu trong điều kiện bề mặt ứng với từng áp suất đầu giếng 300 psi, 500 psi, 700 psi và 1000 psi ở phương án 2

MỞ ĐẦU 1 Giới thiệu

Hiện nay, PLT (Production Logging Tool) là phương pháp duy nhất đo những thông số của chất lưu cho các vị trí khác nhau trong giếng khoan như từng vùng mở vỉa khác nhau hay phần giếng thân trần, xác định loại chất lưu, sự di chuyển của chất lưu bên trong giếng khoan và vùng lân cận giếng khoan PLT sử dụng trong tất cả các giếng như giếng khai thác ban đầu, giếng đã khai thác và giếng bơm ép nhằm xác định vị trí các vùng đóng góp chất lưu, tính toán tốc độ dòng chảy chất lưu, thông số nhiệt độ, giá trị áp suất, tỷ trọng chất lưu… Từ đó, đóng góp và ảnh hưởng vùng bắn mở vỉa của vỉa đa tầng được xác định Bên cạnh đó, PLT xác định các sự vấn đề làm giảm lưu lượng khai thác như hiện tượng rỏ rỉ của ống khai thác (hiện tượng leak), sự xâm nhập chất lưu từ trong giếng vào vùng có độ thấm tốt hơn (crossflow), sự duy chuyển tuần hoàn của chất lưu trong giếng nghiêng (fluid circulation), dòng chảy bên trong vùng trám xi măng…

Nhiều loại PLT khác nhau đã và đang sử dụng trên tất các giếng dầu trên toàn thế giới từ các nhà cung cấp hay công ty dịch vụ kỹ thuật dầu khí khác nhau Với từng thế hệ PLT, tồn tại những tiêu chuẩn về cách đo và phương pháp tính toán khác nhau

2 Tính cấp thiết của luận văn

Như đã đề cập ở trên, PLT sử dụng hầu hết các giếng khai thác để xác định lưu lượng và sự đóng góp lưu lượng của từng vùng bắn mở vỉa, tức là thể hiện tình trạng giếng khoan Việc lựa chọn mô hình dòng chảy phù hợp cho một giếng nhất định nào đó, hiệu chỉnh sai số nhỏ nhất để có được kết quả chính xác thể hiện đúng với lưu lượng khai thác thực sự của giếng là vấn đề cần xem xét Quan trọng hơn, với mong muốn mô phỏng hoạt động của giếng thể hiện hiệu quả khai thác từ minh giải PLT vừa có, nhằm đưa ra phương án khai thác tối ưu cũng như chương trình sửa

chữa giếng phù hợp Đây là những mong muốn và yêu cầu của hầu hết các công ty dầu hiện nay

Chính vì vậy, đề tài: “KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG ÁN KIỂM SOÁT HIỆU

QUẢ KHAI THÁC CHO GIẾNG 11P Ở VỈA ĐA TẦNG DỰA TRÊN SỐ LIỆU PLT” được chọn để đi sâu nghiên cứu và tìm ra giải pháp tối ưu giải quyết

các vấn đề vừa nêu trên

3 Tình hình nghiên cứu

PLT đã hiện diện và sử dụng hơn 60 năm trong nền công nghiệp dầu khí PLT cũng như phương pháp phân tích số liệu đã và đang không ngừng phát triển và hoàn thiện Những PLT mới đã phát triển cho từng loại giếng khoan khác nhau như giếng nghiêng, giếng ngang… (Production Logging Manual – Schlumberger)

Do đó, có nhiều công trình nghiên cứu đã đề cập tới vấn đề này điển hình như sau:  Bài báo SPE 145579 – Flow Model Selection for Production Logging

Interpretation of Gas Wells của tác giả Kittiphong Jongkittinarukorn và Robert Kerr, tập trung vào chọn mô hình trong giếng có hai loại chất lưu đó là khí và nước ở vịnh Thái Lan, sử dụng số liệu từ thử vỉa rồi so sánh với số liệu PLT tính toán được, bài báo chỉ dừng lại ở lựa chọn mô hình dòng chảy cho giếng có hai loại chất lưu, chứ không phải đầy đủ ba loại chất lưu, cũng chưa đi tới hiệu chỉnh sai số sau khi có được mô hình phù hợp

 Bài báo SPE 104629 - Managing Production in Maturing Assets: Increasing

Intervention Success by Combining Production Logging with Nodal Analysis của tác giả R North, C.P Lenn và I.Stowe, đưa ra cơ sở lý thuyết về việc áp dụng số liệu PLT cùng với phương pháp điểm nút để mô phỏng hoạt động của giếng, đồng thời đưa ra một vài trường hợp điển hình trong thực tế Bài báo này chưa đi phân tích những sự khác nhau trước và sau khi sửa chữa giếng

 Bài báo SPE 89848 – A Novel Approach to Production Logging in

Multiphase Horizontal Wells của tác giả D.Vu-Hoang, M.Faur, R Marcus, J Cadenhead, F Besse, J Haus, Esteban Di-Pierro, Abdoulaye Wadjiri, Andres Hofmann, nêu lên được những thách thức khó khăn trong giếng nghiêng như đề cập hiện tượng nước tuần hoàn ngược trong giếng, chế độ dòng chảy trong giếng khí và nước

 Bài báo SPE 50178 – Application of New Generation Technology to

Horizontal Well Production Loggging – Examples from the North West Shelf of Australia của tác giả Carnegie A, Robert N, Clyne I cũng nêu lên thách thức trong giếng nghiêng khi tốc độ chất lưu thấp, những vấn đề cần cân nhắc trong khi đo PLT ở những giếng này

Như vậy, các nghiên cứu có liên quan chỉ mới nêu ra ý tưởng, khái quát về lựa chọn mô hình dòng chảy, các thách thức khó khăn trong khi đo PLT ở các giếng nghiêng, giếng ngang, chưa đưa ra các yếu tố ảnh hưởng tới việc phân tích, các thông số cần xem xét thay đổi trong hiệu chỉnh mô hình, cũng như chưa phân tích độ nhạy của các thông số trong việc tính toán hay mô phỏng giếng Quan trọng hơn, những nghiên cứu trên chưa đi sâu vào mô phỏng hoạt động giếng để kiểm soát hiệu quả khai thác của giếng Những vấn đề nêu trên sẽ khảo sát, phân tích trong luận văn này

4 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

Mục tiêu của luận văn

Nghiên cứu các phương án kiểm soát hiệu quả khai thác vỉa đa tầng, đi sâu vào kiểm soát sự tuần hoàn của nước trong giếng, kiểm soát lưu lượng nước, tăng cường và nâng cao lưu lượng khai thác khí cho giếng 11P

Từ việc tìm hiểu lý thuyết, tiến tới khảo sát số liệu thực tế với sự trợ giúp của phần

mềm Excel, Emeraude v2.6 phát triển bởi Kappa (www.kappaengineering.com) và

phần mềm Production Logging Advisor (PLA), Pipesim phát triển bởi công ty dịch

vụ kỹ thuật dầu khí Schlumberger

Nhiệm vụ của luận văn

Đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là vỉa đa tầng cho nên nhiệm vụ của luận văn bao gồm các nội dung liên quan như sau:

- Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về chế độ dòng chảy và các mô hình dòng chảy trong giếng

- Nêu lên phương pháp luận trong tính toán

- Tìm hiểu cơ sở tính toán bên trong phần mềm Emeraude bằng cách sử dụng bảng tính Excel tính toán cho một bộ số liệu rồi kiểm chứng với kết quả tính toán bằng Emeraude

- Khảo sát các mô hình dòng chảy và lựa chọn mô hình thích hợp nhất cho giếng 11P

- Hiệu chỉnh mô hình có để sai số tính toán nhỏ nhất bằng cách thay đổi các thông số trong mô hình

- Ứng dụng mô hình có được tiến hành mô phỏng hoạt động khai thác, đồng thời đưa ra các phương án kiểm soát khai thác hiệu quả cho giếng 11P

- Phương pháp tổng hợp:

o Hệ thống hóa nền tảng lý thuyết cũng như tài liệu kỹ thuật về chế độ dòng chảy trong giếng khai thác như dòng chảy một loại chất lưu, dòng chảy hai loại chất lưu và dòng chảy ba loại chất lưu

o Phương pháp luận trong tính toán

- Phương pháp so sánh: so sánh kết quả tính toán khi áp dụng các mô hình dòng chảy, so sánh kết quả tính toán trước và sau khi hiệu chỉnh mô hình, so sánh kết quả giữa các phương án khảo sát giếng khác nhau

- Phương pháp phân tích: bằng cách phân tích độ nhạy của các yếu tố ảnh hưởng lên lựa chọn mô hình dòng chảy, phân tích các thông số cần thay đổi để hiệu chỉnh mô hình, phân tích các phương án khảo sát giếng

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học

Khảo sát các mô hình dòng chảy và áp dụng mô hình thích hợp cho giếng cụ thể, từ đó hiệu chỉnh mô hình nhằm có sai số nhỏ nhất Bằng cách áp dụng mô hình này nghiên cứu mô phỏng hoạt động của giếng ứng với nhiều phương án khác nhau Hiệu chỉnh mô hình thông qua thay đổi các thông số mô hình và đánh giá sai số thực sự có ý nghĩa quan trọng Ngoài ra, việc mô phỏng hoạt động của giếng đã cho phép thay đổi các thông số khác nhau bằng cách đưa ra các phương án khảo sát có ý nghĩa khoa học thực sự trong nghiên cứu này

Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu này đã mô phỏng hoạt động khai thác của giếng, giống hoạt động khai thác ngoài thực tế Điều này giúp kiểm soát hiệu quả khai thác, đồng thời giúp lập chương trình khai thác của giếng, hạn chế rủi ro cho các chương trình sửa chữa giếng nhằm nâng cao hiệu quả, đảm bảo lưu lượng khai thác như mong đợi

7 Cấu trúc luận văn

Luận văn bao gồm các chương chính như sau

Chương 1: nêu lên cấu trúc hoàn thiện giếng, tính chất chất lưu qua số liệu

PVT và tình trạng khai thác giếng cũng như khó khăn của giếng 11P

Chương 2: tổng quan các chế độ dòng chảy trong giếng, nêu lên ứng dụng

cũng như hạn chế từng mô hình dòng chảy; tìm hiểu một mô hình cụ thể thông qua tìm hiểu ý nghĩa các phương trình trong mô hình, các hệ số ảnh hưởng đến tính toán mô hình; đề cập phương pháp luận trong tính toán; phân tích bộ số liệu cụ thể bằng bảng tính Excel đồng thời sử dụng kết quả này để kiểm chứng tính toán từ phần mềm Emeraude

Chương 3: phản ánh tới xử lý số liệu đầu vào khi phân tích, minh giải số liệu

PLT; đề cập ứng xử pha của chất lưu trong giếng 11P; tìm hiểu các mô hình dòng chảy trong giếng và lựa một mô hình thích hợp nhất cho giếng khoan 11P; cuối cùng là hiệu chỉnh mô hình có được bằng cách thay đổi các thông số trong mô hình

Chương 4: Ứng dụng mô hình có được ở chương 3 để mô phỏng hoạt động

khai thác giếng 11P như đưa ra nhiều phương án khai thác khác nhau, nhận xét và so sánh từng phương án

CHƯƠNG 1

SƠ LƯỢC VỀ GIẾNG KHOAN 11P

Chương 1 giới thiệu tổng quan, sơ lược về giếng 11P bao gồm cấu trúc giếng khoan như cấp ống chống, chiều dài giếng khoan…, dữ liệu PVT, tình hình khai thác cũng như những khó khăn gặp phải Bên cạnh đó, thành phần thạch học ứng với từng vùng bắn mở vỉa cũng được giới thiệu thông qua số liệu Mug logging

1.1 CẤU TRÚC GIẾNG KHOAN

Giếng 11P là giếng khai thác nằm ở bồn trung Nam Côn Sơn với độ sâu cột nước biển là 85 m, giếng được khoan vào tháng 5 năm 2010

Chiều dài tổng cộng của giếng là 5440 m gồm có hai phần chính:

- Phần ống chống (casing): Phần ống chống 13-3/8" 68ppf N80, với đường kính trong 12.415” sau khi đặt ống chống (casing) với đáy của ống chống (casing shoes) ở độ sâu 995.03 m MD, độ nghiêng lớn nhất ở đoạn này là 28.33 độ Cấp đường kính tiếp theo của giếng là 9-5/8" 47 ppf L80 JFE Cr13% với đáy của chân ống chống này ở độ sâu 3227 m MD, đường kính trong là 8.681” Một ống khai thác với đường kính trong 4.825” lắp đặt đến độ sâu 3284.68 m MD

- Phần ống chống lửng (liner): Ống chống lửng 7" 26# P110 TenHyd 3SB liner jts có đường kính trong 6.276” lắp ở độ sâu 3124.90 m MD đến 5380.05 m MD

Năm tầng bắn mở vỉa lần lượt là:

- Tầng E1: 4287 m – 4297 m MD (10 m) - Tầng F1: 4594 m – 4604 m MD (10 m) - Tầng H: 4838 m – 4845 m MD (7 m)

- Tầng S1: 5255 m – 5275 m MD (20 m)

Hình 1.1 Cấu trúc hoàn thiện giếng khoan 11P

Hình 1.1 thể hiện cấu trúc giếng khoan 11P với góc nghiêng tối đa là 48 độ có sáu vùng bắn mở vỉa khác nhau, phía dưới là nút chặn vùng S2 khi vùng này khai thác quá nhiều nước hơn mong đợi

D1a E1 F1 H

O

S1

S2

1.2 HỆ THỐNG DẦU KHÍ VÀ THÀNH PHẦN THẠCH HỌC

Hệ thống dầu khí miêu tả sơ lược về đá nguồn, đá chứa, đá chắn và loại hydrocacbon:

- Đá nguồn: Than đá tuổi Miocen sớm, sét tuổi cacbon

- Đá chứa: Cát được hình thành trong môi trường delta chủ yếu là thủy triều

cứng từ mềm đến cứng trung bình

Hình 1.2 Số liệu log (Open hole log) của tầng D1a giếng 11P

Tầng E1: 4287 m – 4297 m MD (10 m) Mô tả: Tầng E1 nằm phía dưới đỉnh của Dừa, thành phần thạch học bao gồm chủ

yếu là thạch anh, bên cạnh đó còn có Mica Trong khi đó, sét có màu xám tối, có độ cứng phân loại từ mềm đến cứng

Hình 1.3 Số liệu log (Open hole log) của tầng E1 giếng 11P

Tầng F1: 4594 m – 4604 m MD (10 m) Mô tả: Cát màu xám, chắc và cứng, chủ yếu là thạch anh, ngoài ra còn có thêm

mica Sét có độ cứng từ mềm sang cứng màu xám oliu

Hình 1.4 Số liệu log (Open hole log) của tầng F1 giếng 11P

Tầng H: 4838 m – 4845 m MD (7 m) Mô tả: Cát màu xanh oliu hay màu xám, hạt mịn, thành phần chủ yếu là thạch anh

Sét có màu nâu tối như màu xám oliu, tập trung thành dạng khối

Hình 1.5 Số liệu log (Open hole log) của tầng H giếng 11P

Tầng O: 5135 m – 5152 m MD (17 m) Mô tả: Cát màu xám đến trắng xám, độ cứng phân loại từ mềm đến cứng, dạng

khối, thành phần chủ yếu là thạch anh Sét có màu chủ yếu là xám oliu, kết lại dạng khối

Hình 1.6 Số liệu log (Open hole log) của tầng O giếng 11P

Tầng S1: 5255 m – 5275 m MD (20 m) Mô tả: Cát có màu xám oliu, hay xám trắng, hạt đều, chủ yếu là thạch anh Sét có

Từ những số liệu PVT thu thập được, xây dựng được giãn đồ pha bên dưới:

Hình 1.8 Giãn đồ pha của thành phần chất lưu giếng 11P

Bảng 1.1 Dữ liệu từ thử giếng năm 2011

Duration Choke FWHP FWHT P/F Line

BHP BHT Annulas Qgas Qliquid

Bảng 1.1 thể hiện áp suất bề mặt khoảng 1426.05 psi với nhiệt độ bề mặt là 69.09 độ C, áp suất đáy giếng là 1832.65 psi, nhiệt độ đáy giếng 105.31 độ C Lưu lượng đo được trong quá trình thử vỉa bao gồm lưu lượng khí là 21380 Mscf/d và lưu lượng chất lỏng, không thể tách riêng condensate với nước Thời gian gần đây, lưu lượng khí giảm xuống và lượng nước khai thác tăng lên không như số liệu dự đoán Những nét khái quát chung về tình hình khai thác của giếng 11P thể hiện ở trên cho thấy những khó khăn gặp phải trong quá trình khai thác Chính vì vậy, PLT là một trong những dịch vụ cần thiết cho việc khảo sát và giúp kế hoạch sửa chữa giếng

1.4 TÌNH HÌNH KHAI THÁC VÀ KHÓ KHĂN CỦA GIẾNG 11P

Trong chương trình khảo sát giếng bằng thiết bị PLT vào năm 2011, lưu lượng nước tầng S2 - vị trí đáy của giếng là khá lớn Vì vậy, tầng S2 đã được chặn bằng hai nút chặn ở độ sâu 5304 m MD và 5315 m MD

Giữa năm 2012, giếng được khảo sát bằng FSI (Flow Scanner Imager) - một thiết bị mới của PLT, ghi nhận lưu lượng khí là 9753.53 Mscf/d, lưu lượng dầu là 754.73 stb/d và lưu lượng nước là 626.53 stb/d khi áp suất bề mặt là 500 psi So sánh với kết quả từ bảng 1.1 nhận thấy rằng lượng khí giảm từ 21380 Mscf/d (ở áp suất bề mặt 1426 psi) xuống còn 9753.53 Mscf/d, lưu lượng chất lỏng tăng từ 480.27 stb/d lên 1381.26 stb/d chỉ từ năm 2011 đến 2012 Đây chính là những thử thách trong quá trình khảo sát, hiệu chỉnh chế độ khai thác cũng như đưa ra chương trình sửa chữa giếng để đạt hiệu quả khai thác tốt nhất

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 hệ thống hóa lại các chế độ dòng chảy, các mô hình dòng chảy được xây dựng cho giếng ngang và giếng nghiêng, tìm hiểu về một mô hình dòng chảy cụ thể như ý nghĩa các phương trình, các yếu tố ảnh hưởng Bên cạnh đó, phương pháp luận trong tính toán và việc kiểm chứng kết quả tính toán từ phần mềm Emeraude cho một trường hợp tiêu biểu cũng được thể hiện ở cuối chương

2.1 CHẾ ĐỘ DÒNG CHẢY TRONG GIẾNG

2.1.1 Chế độ dòng chảy một loại chất lưu ở điều kiện vỉa

Để tiến hành tìm hiểu chế độ dòng chảy trong ống khai thác ở một độ sâu bất kỳ dưới điều kiện vỉa, chúng ta hãy xem xét một trường hợp điển hình là giếng dầu, không có sự hiện diện của nước và khí tự do

Lúc này lực quán tính bên trong dòng chảy của dầu được xác định là μV2

L

đồng thời

tồn tại một lực khác gọi là lực ma sát do chính độ nhớt của dầu gây ra (

2μV

L

)

Trong đó:

 là tỷ trọng của dầu V là vận tốc trung bình của dầu d là đường kính ống

µ là độ nhớt động của dầu

Chế độ dòng chảy tầng (Laminar) (Sự dịch chuyển với nhau)

Chế độ dòng chảy rối (Turbulent) (Sự dịch chuyển tạo thành vòng xoáy)

Hình 2.1 Dòng chảy tầng và dòng chảy rối

Nếu chúng ta chia lực quán tính cho lực ma sát do dầu gây ra tức là ρvd/μ (hay vd/υ

trong đó υ là độ nhớt động lực học), mặt khác, giá trị này được biết đến thông qua một hệ số thông dụng là hệ số Reynold thể hiện dưới đây:

ρvdRe =

Hệ số Reynold là số không thứ nguyên và được áp dụng trong việc dự đoán dòng chảy trong những ống có kích thước khác nhau từ ống có đường kính nhỏ (vài milimet) cho đến ống thoát nước bằng bê tông có đường kính lớn Ngoài ra, hệ số Reynold còn áp dụng cho các chất khí từ tỷ trọng nhỏ như không khí cho tới tỷ trọng của thủy ngân và áp dụng cho các chất lỏng có độ nhớt cao như hắc ín (nhựa đường) Theo kinh nghiệm và kết quả thống kê dữ liệu thí nghiệm phân tích đường ống cho thấy rằng hệ số Reynold nhỏ hơn 2000 là dòng chảy tầng Khi hệ số Reynold lớn hơn 4000, chúng ta sẽ có dòng chảy rối, khi hệ số Reynold giữa 2000 đến 4000 là giá trị trung gian, chế độ dòng chảy trong ống không rõ ràng nên không thể xác định chính xác chế độ dòng chảy trong ống

Khi làm việc trong bảng đơn vị SI, tỷ trọng được tính bằng kg/m3, tốc độ là m/s, đường kính là m và độ nhớt của chất lưu là Pa.s Lấy ví dụ trường hợp ống 5-1/2” với đường kính trong là 4.9” hay 0.12m Hệ số Re= 1000 x 0.076 x 0.12 / 0.001 = 9120 Trong trường hợp này, chúng ta có dòng chảy rối và dòng chảy rối thường chiếm phần lớn trong các chế độ dòng chảy ở giếng dầu, nước và khí Chế độ dòng chảy tầng thường được tìm thấy trong những trường hợp dầu nặng với độ nhớt đo được ở điều kiện vỉa lớn hơn 100 cP

Dòng chảy tầng được thể hiện thông qua công thức sau đây:

umax là vận tốc trung tâm

R là bán kính bên trong của ống

A là diện tích của ống Dòng chảy rối phức tạp hơn so với dòng chảy tầng kể cả trong việc mô tả cũng như áp dụng những mô hình mô phỏng về tốc độ dòng chảy khác nhau trong ống Bên dưới là một trong những mô hình của Prandtl

mmax

R

maxaverage 0

2u1

u1

u = u(r)2πr r =

-5-4-3-2-1012345

Laminar Velocity Profile

Turbulent Velocity Profile

Hình 2.2 Hệ số ma sát trong ống đối với dòng chảy tầng và dòng chảy rối

Khi có dòng chảy trong ống thì ma sát sẽ làm giảm áp suất bên trong ống Trong phần lớn các giếng khoan trên thế giới thì áp suất suy giảm do ma sát không quan trọng nhưng đối với các giếng nghiêng, lưu lượng dòng chảy cao thì sự ảnh hưởng của ma sát này cần phải được xem xét trong quá trình tính toán lưu lượng

Giá trị gradient áp suất suy giảm do ma sát được tính toán thông qua công thức sau:

V là vận tốc trung bình của dòng chảy là tỷ trọng của chất lưu

D là đường kính của ống

Đối với dòng chảy tầng, hệ số ma sát f được thể hiện thông qua tỷ số 64/Re, nhưng đối với dòng chảy rối thì vấn đề trở nên phức tạp hơn nhiều do có sự tương tác giữa bề mặt gồ ghề của ống với dòng chất lưu di chuyển gần bề mặt ống Khi hệ số Reynold thấp, dòng chảy chất lưu gần bề mặt ống sẽ dày hơn độ gồ ghề của mặt trong ống nên sự ảnh hưởng của sự gồ ghề này sẽ không quan trọng Nhưng khi hệ số Reynold tăng lên thì độ dày của dòng chảy chất lưu di chuyển tăng lên và độ gồ

ghề bắt đầu ảnh hưởng tới dòng chảy gần bề mặt ống, cho nên ảnh hưởng đáng kể đến chế độ chảy tầng

Hệ số ma sát Moody phụ thuộc vào hệ số Reynold và mức độ gồ ghề của bề mặt bên trong ống e/D Trong đó: e là độ gồ ghề của bề mặt trong của ống, cùng đơn vị đo với đường kính ống D

Ngày nay, những loại thép mới đã và đang được sử dụng trong công nghệ chế tạo ống khai thác với mức độ gồ ghề là 0.0006” Chỉ số này có ý nghĩa như sau: hệ số gồ ghề tương đối (Relative roughness) là 0.0001 cho ống có đường kính trong là 6” Tuy nhiên, đó là thông số của nhà sản xuất đưa ra ở điều kiện tốt, trong thực tế sau một vài tháng hay vài năm ở điều kiện vỉa thì mức độ ăn mòn và sự mài mòn này thường ảnh hưởng nghiêm trọng đến bề mặt trong của ống Trong lý thuyết, mức độ gồ ghề của ống được tính thông qua sự suy giảm áp suất dọc theo ống khi người ta cho nước dịch chuyển với vận tốc xác định trong ống có chiều dài nhất định Từ hệ số Reynold tính được, người ta xác định hệ số ma sát của ống thông qua biểu đồ Moody ở bên dưới

Hình 2.3 Biểu đồ Moody

Bên dưới là bảng thống kê tham khảo hệ số gồ ghề của từng vật liệu khác nhau

Hình 2.4 Mối liên hệ giữa hệ số ma sát và hệ số Reynold

Cơ sở lý thuyết trình bày ở trên chỉ có thể sử dụng để giải thích cho dòng chảy một loại chất lưu riêng biệt Tuy nhiên, trong thực tế khai thác dầu khí, chúng ta thường gặp phải dòng chảy hỗn hợp của hai hay nhiều loại chất lưu không hòa lẫn vào nhau chẳng hạn như hỗn hợp gồm nước, dầu và khí Điều này rất khó khăn trong việc phân tích chế độ dòng chảy, đặc biệt là trong những giếng nghiêng, giếng ngang với những phức tạp như sự tuần hoàn chất lưu hay sự hoà lẫn các loại chất lưu Những vấn đề này đã và đang được ghi nhận bằng các thiết bị và công nghệ hiện đại, tuy nhiên chưa thể giải quyết hoàn toàn những khó khăn đang tồn tại nêu trên

2.1.2 Chế độ dòng chảy nhiều loại chất lưu ở điều kiện vỉa 2.1.2.1 Mô tả các chế độ dòng chảy

Dukler đã dự đoán có bốn chế độ dòng chảy cho những giếng thẳng đứng Trong những nghiên cứu gần đây đối với những giếng ngang, người ta đã tìm thấy năm chế độ dòng chảy khác nhau

Để tìm hiểu chi tiết sự thay đổi trạng thái của từng loại chất lưu dầu, khí trong ống, chúng ta xem xét một mô hình với ống chứa đầy dầu Khi dầu có vận tốc thấp thì bắt đầu có sự xuất hiện những bọt khí nhỏ đồng nhất di chuyển đi lên dọc theo vùng dầu, giống như những bong bóng riêng biệt Những bọt khí này di chuyển với vận tốc tương đối bị khống chế do sự khác biệt tỷ trọng và độ nhớt của chất lỏng, chất khí Chế độ dòng chảy này được gọi là dòng chảy dạng bọt khí (bubble flow)

Khi vận tốc của pha lỏng tăng lên, các bong bóng này cũng tăng dần kích thước do sự tích tụ và kết hợp của các bọt khí nhỏ với nhau Cuối cùng, loại chất lưu khí bị phân tán như là các bọt khí trong loại chất lưu dầu liên tục Không có sự phân biệt rõ ràng giữa dòng chảy dạng bọt khí và dòng chảy dạng bọt khí phân tán (dispersed bubble) khi quan sát Chế độ dòng chảy dạng bọt khí chỉ quan sát được ở dòng chảy thẳng đứng và dòng chảy nghiêng trong ống có đường kính tương đối lớn, trong khi đó, dòng chảy dạng bọt khí phân tán thì có thể tìm thấy ở tất cả các dạng góc nghiêng của đường ống

Tiếp theo đó, áp suất của giếng giảm xuống, khí thoát ra khỏi hỗn hợp nhiều hơn và khí tồn tại trước đó giãn nở thêm Một số bọt khí bắt đầu ngưng kết lại di chuyển nhanh hơn, gom những bọt khí nhỏ hơn trên đường nó di chuyển và kết quả là bọt khí hình thành lớn hơn, dài hơn và có dạng hình nón Khi bọt khí đạt kích thước lớn bằng kích thước của ống thì được gọi là nút khí Những bọt khí này được gọi một tên khác là bọt khí Taylor Dòng chảy dạng nút (slug flow) gồm có bọt khí Taylor, và một lớp chất lỏng bao xung quanh bọt khí Taylor có xu hướng chảy xuống Sự phân bố của các bọt khí Taylor trong dòng chảy thẳng đứng có tính đối xứng

Nếu áp suất tiếp tục giảm xuống thấp hơn, những nút khí trở nên biến dạng nhiều và có sự hòa lẫn vào nhau, đồng thời có khuynh hướng kết hợp lại và di chuyển lên theo hướng trung tâm của ống Những nút khí này có thể mang theo những giọt chất lỏng nhưng hầu hết chất lỏng di chuyển đi lên theo những nơi gần với bề mặt ống Đây là dòng chảy sủi bọt (froth flow) Sự khác biệt giữa dòng chảy dạng nút khí và dòng chảy khuấy là màng chất lỏng bao quanh nút khí tồn tại trong dòng chảy dạng nút khí sẽ không xuất hiện ở dòng chảy khuấy

Nếu lưu lượng khí vẫn còn ở chế độ cao thì dòng chảy ổn định với loại chất lưu khí là chủ yếu và chỉ tồn tại một ít giọt chất lỏng trong thành ống Những màng chất lỏng quanh thành ống bao bọc phần lõi khí bên trong, lõi khí này có loại chất lưu khí chuyển động với vận tốc cao và trong lõi khí còn có những giọt chất lỏng nhỏ Do lõi khí có vận tốc chuyển động lớn hơn nên đã tạo ra lực tác động làm cho màng chất lỏng chuyển động theo đi lên Lúc này chúng ta có dòng chảy được gọi là dòng chảy vành xuyến (annular) Khi lượng khí chiếm ưu thế, chúng có thể tách rời chất lỏng và làm chất lỏng rơi vào thành ống, bên cạnh đó khí có thể mang những giọt chất lỏng rất nhỏ đi theo nó, giai đoạn dòng chảy này được gọi là dòng chảy sương mù (mist) Tuy nhiên, trong thực tế khai thác, rất khó tách biệt rõ ràng giữa dòng chảy vành xuyến và dòng chảy sương mù

Dòng chảy bọt khí (Bubble flow)

Dòng chảy bọt khí phân tán (Dispersed bubble)

Dòng chảy nút khí (Slug flow)

Dòng chảy dạng khuấy

(Churn flow)

Dòng chảy vành xuyến (Annular flow)

Hình 2.5 Mô hình các chế độ dòng chảy trong giếng thẳng đứng

Hình 2.6 Mô hình các chế độ dòng chảy trong giếng ngang