HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM THIẾT KẾ TỐI ƯU HĨA LƯỢNG KHÍ BƠM ÉP (Gas-lift) CHO GIẾNG KHAI THÁC ĐA TẦNG Nguyễn Di Tùng Khoa Dầu Khí, Trường Đại học Dầu Khí Việt Nam Email: tungnd02@pvu.edu.vn TĨM TẮT: Khai thác dầu phương pháp gas-lift phương pháp học phổ biến, hiệu áp dụng Việt Nam giới nhằm giải vấn đề suy giảm áp suất độ sâu lắp đặt van, số lượng van tìm lưu lượng khí bơm ép tối ưu (về mặt kỹ thuật) Bằng việc tính tốn theo lý thuyết thơng qua phần mềm Excel mô phần mềm Pipesim cho vỉa sau thời gian khai thác tự phun cung cấp lượng học cho giếng nhằm trì sản lượng khai thác mong muốn Bài báo trình bày phương pháp ứng dụng khai thác gas-lift liên tục cho giếng có nhiều tầng sản phẩm, việc quan trọng cần phải tìm thấy phù hợp đáng kể lý thuyết tính tốn mơ Lượng khí bơm ép tối ưu hóa để tiết kiệm tối đa, sử dụng việc khai thác dầu trường hợp giếng đa tầng cột ống khai thác Từ khóa: gas-lift, bơm ép, đa tầng, Pipesim, tối ưu hóa, mơ bơm ép GIỚI THIỆU Trong năm gần đây, ngành cơng nghiệp dầu khí bị tác động nghiêm trọng giá dầu giới Giá dầu giảm sâu từ 110 USD/thùng (2012) đến gần 35 USD/thùng (2015) giá khoảng xấp xỉ 50 USD/thùng, ảnh hưởng lớn đến ngành dầu khí Việt Nam Việc khoan đưa giếng vào hoạt động khai thác tính tốn kỹ lưỡng thận trọng, nhằm tiết giảm tối đa chi phí khai thác Cùng với yêu cầu phải đảm bảo sản lượng khai thác theo kế hoạch bàn giao giá trị kinh tế mang lại, đòi hỏi cần có biện pháp nâng cao trì sản lượng giếng khai thác nhiều năm, lượng vỉa suy giảm vấn đề độ ngập nước, nhiễm cát,… cần giải Khai thác dầu công nghệ gas-lift phương pháp khai thác học phổ biến, hiệu áp dụng Việt Nam nhằm giải vấn đề suy giảm áp suất vỉa dầu sau thời gian khai thác tự phun cung cấp thêm lượng cho giếng để trì sản lượng khai thác Tùy theo phương pháp phân loại (dựa chế hoạt động, điều kiện áp dụng,…), phương pháp gas-lift thường chia thành hai dạng: gas-lift liên tục gas-lift định kỳ Hiện nay, phần lớn giếng khai thác gas-lift sử dụng phương pháp gas-lift liên tục Khí nén bơm vào giếng liên tục thông qua hệ thống thiết bị gas-lift Khí nén hòa trộn với lưu chất cột ống khai thác, làm giảm tỷ trọng cột ống, làm giảm áp suất thủy tĩnh cột lưu chất, tạo nên chênh áp giúp đưa lưu chất lên bề mặt Đồng thời nguồn lượng khí nén khí đồng hành tận dụng để tiếp tục vận chuyển sản phẩm hệ thống thu gom xử lý trước tái sử dụng làm khí bơm ép Ngồi ra, việc điều chỉnh lưu lượng khai thác tương đối dễ dàng cách thay đổi lượng khí bơm ép tùy vào điều kiện vận hành Trang 329 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình Phương pháp gas-lift liên tục (a), phương pháp gas-lift định kỳ (b) [11] Theo Boyun Guo [1], thơng thường để PHƯƠNG PHÁP GAS-LIFT LIÊN TỤC áp dụng phương pháp khai thác gas-lift liên tục, Khi thiết kế hệ thống gas-lift, việc lựa người ta thường dựa vào hệ số sản phẩm - PI chọn áp dụng mơ hình dòng chảy phù hợp nhằm (production index) Tác giả cho rằng, giếng có dự đốn thành phần áp suất dọc theo cột ống hệ thống khai thác phù hợp số PI lớn khai thác điều quan trọng, điều ảnh xấp xỉ 0.5 bbl/day/psi áp dụng hưởng đến độ xác độ tin cậy kết phương pháp gas-lift liên tục hiệu Nếu số tính tốn sau Cho đến có nhiều PI thấp 0.2 bbl/day/psi áp mơ hình dòng chảy xây dựng phát dụng, lượng khí bơm ép áp suất bơm ép triển chuyên gia hàng đầu toàn đủ lớn Việc tối ưu lượng khí nén nhằm đạt giới Mơ hình dòng chảy đa pha tối đa sản lượng khai thác đề cập phát triển Poettman Carpenter [5], nhiều phương pháp khác tài liệu tương quan thực nghiệm mà tác giả xây dựng [2] Đối với số giếng khai thác dầu, Fand dựa dòng chảy đồng nhất, khơng xét đến Lo [3] lập trình chương trình với ảnh hưởng chế độ dòng chảy khơng xét phương trình tuyến tính để phân bổ lượng khí đến trượt pha Tuy nhiên, mơ hình nén thu dòng sản phẩm với lưu khơng ứng dụng nhiều sai số lượng hạn chế Tiếp sau đó, Wang Litvak [4] lớn Trong nghiên cứu Hagedorn Brown mở rộng phương pháp này, việc xét đến [6], chưa đưa yếu tố chế độ dòng ảnh hưởng áp suất đáy giếng để tạo chảy vào tính tốn có xét đến mơ hình có độ xác cao trượt pha với có xét đến tốc độ Đối với tình hình khai thác dầu khí nay, khác pha khí pha lỏng Các mơ hình số lượng mỏ dầu phát không sau Orkiszewski [7], Beggs Brill [8], nhiều, việc tận thu từ giếng dầu khai phát triển để tính cho trường hợp chế thác việc làm cần thiết Tuy nhiên, hầu hết độ dòng chảy riêng biệt Ngồi mơ hình giếng dầu sau khai thác thời gian gặp tương quan thực nghiệm, có mơ hình nhiều vấn đề từ phổ biến phức tạp, thực nghiệm hay gọi mơ hình học Các việc suy giảm lượng điều khơng thể tránh mơ hình phát triển dựa ứng xử động lực khỏi Một biện pháp kéo dài thời gian học lưu chất chế độ dòng chảy, khai thác đồng thời khai thác nhiều tầng sản kết hợp với phương trình bảo tồn khối phẩm giếng, nên việc áp dụng lượng, bảo toàn động lượng số quan khai thác phương pháp gas-lift liên tục đối hệ khác Mơ hình Ansari [9] Kaya [10] với giếng dầu nhiều tầng sản phẩm cần ví dụ điển hình thiết Vì vậy, nghiên cứu thực Quy trình thiết kế gas-lift tiến hành qua thiết kế tìm độ sâu lắp đặt van gas-lift lưu nhiều bước: lượng khí bơm ép tối ưu cho giếng khai thác - Tính tốn tìm độ sâu lắp đặt van giảm áp van dầu có hai tầng sản phẩm Thông số đầu vào để vận hành Các van giảm áp lắp đặt van tính tốn số liệu thực tế đơn vị sản xuất vận hành có nhiệm vụ làm giảm cột áp thủy tĩnh Kết thiết kế gồm số lượng van gas-lift cần cột ống khai thác để khí bơm ép đạt lắp đặt, độ sâu van so sánh với kết độ sâu lớn nhất, vị trí lắp đặt van mơ phần mềm chuyên vận hành Van giảm áp phía đóng lại dùng Pipesim 2011 Trang 330 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM khí bơm ép nén đến van tất van giảm áp đóng khí bơm ép nén đến van vận hành - Tính tốn lượng lưu chất cần giảm tỷ trọng lượng khí nén qua van giảm áp - Tìm đường kính cửa (seat diameter) phù hợp cho van giảm áp van vận hành Nếu kích thước cửa lớn, lượng khí nén qua van lớn, làm cho áp suất giảm nhanh, điều dẫn đến việc áp suất khí nén khơng đủ lớn để tiếp tục nén đến van tiếp theo, cần phải tăng áp suất nén khí bề mặt Mặc khác, kích thước cửa van nhỏ, áp suất khí nén sau qua van van lớn, có khả làm mở van - Tính tốn giá trị áp suất đóng, áp suất mở van giảm áp van vận hành Hiện có nhiều phương pháp dùng để xác định độ sâu đặt van gas-lift, tùy thuộc vào ưu nhược điểm phương pháp đặc điểm vùng vỉa mà ta lựa chọn sử dụng phương pháp đơn giản nhanh chóng Trong có hai phương pháp sử dụng rộng rãi phương pháp giải tích dùng đồ thị Camco Trong nghiên cứu này, phương pháp đồ thị Camco (hay gọi phương pháp Pt min/max), sử dụng để tìm số lượng van gas-lift độ sâu lắp đặt van Để tối ưu hóa giếng khai thác phương pháp gas-lift, điều chỉnh thơng số: độ sâu lắp đặt van, lưu lượng khí bơm ép, kích thước ống khai thác thiết bị kèm (van, máy nén,…) Tuy nhiên, việc lựa chọn kích thước ống khai thác độ sâu lắp đặt van thực khâu thiết kế, việc thay đổi thiết bị kèm đòi hỏi cần tốn nhiều thời gian tài Cho nên việc thay đổi lưu lượng khí bơm ép phương án khả thi linh động nhất, thường lựa chọn Để lựa chọn lượng khí bơm ép tối ưu thường áp dụng hai phương pháp: phương pháp thử trực tiếp phương pháp mô Phương pháp cho kết xác với số liệu thực tế cách thay đổi lượng khí nén, nhiên phải tốn nhiều thời gian cho việc chờ đợi giếng hoạt động ổn định với lần thử số liệu bị ảnh hưởng thiết bị khai thác Phương pháp thứ hai sử dụng mô dựa phương pháp phân tích điểm nút Độ xác phương pháp phụ thuộc vào việc lựa chọn mơ hình dòng chảy phù hợp cho giếng Trong khai thác phương pháp gas-lift, tăng lượng khí bơm ép, lưu lượng khai thác tăng Tuy nhiên, lượng khí bơm ép vượt giá trị định (phụ thuộc vào giếng) lưu lượng khai thác không tăng mà lại bắt đầu giảm nhiều yếu tố yếu tố tượng trượt khí Ngồi ra, việc tăng liên tục lượng khí bơm ép làm cho giếng khả khai thác tượng áp suất ngược, đẩy lưu chất ngược lại vào vỉa Chế độ khai thác tối ưu lưu lượng khí riêng khí bơm ép nhỏ nhất, nghĩa lượng khí nhỏ nén xuống để thu đơn vị thể tích lưu chất khai thác MƠ HÌNH CỦA GIẾNG Trong nghiên cứu này, giếng dùng thiết kế khai thác gas-lift liên tục có độ sâu đến 5920.3ft theo chiều thẳng đứng độ dài gần 9400ft, với quỹ đạo mơ tả Hình Giếng khoan xiên với đoạn có góc nghiêng lên đến gần 73o so với trục thẳng đứng Đường kính cột ống khai thác 2.44 inch Chế độ dòng chảy cột ống khai thác xác định theo mơ hình Hagedorn & Brown đoạn ống có góc nghiêng nhỏ 45o so với trục thẳng đứng, theo mơ hình Beggs & Brill đoạn ống có góc nghiêng lớn 45o so với trục thẳng đứng Độ sâu hai tầng sản phẩm 5703.8ft 5920.3ft theo chiều thẳng đứng, với áp suất tầng 2540 psi 2640 psi Áp suất đầu giếng 290 psi Hệ số sản phẩm PI hai tầng 0.86 STB/d/psi 1.08 STB/d/psi Nhiệt độ miệng giếng đo 86 oF, tầng sản phẩm thứ 185oF 189oF tầng thứ hai Độ ngập nước giếng xác định 50% Dầu khai thác có tỷ trọng 31oAPI, tỷ trọng khí đồng hành 0.65 tỷ số GOR xác định 200 scf/STB Độ nhớt lưu chất tính theo mơ hình Beggs & Robinson KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Áp dụng phương pháp Pt min/max để thiết kế, cho kết trình bày Hình 3, áp suất lưu chất cột ống khai thác khí nén thể qua đường nét liền, nhiệt độ lưu chất địa nhiệt thể qua đường có gạch ngang, đường nét đứt thể vị trí lắp đặt van gas-lift Số lượng van gaslift cần sử dụng ba van, có hai van giảm áp van vận hành Các thơng số tính tốn thể qua Bảng Thực thiết kế phần mềm Pipesim cho kết thể qua Bảng Qua so sánh kết tính tốn Excel phần mềm Pipesim, nhận thấy độ chênh lệch khơng đáng kể Cho nên, kết tính tốn có độ tin cậy cao Sau áp dụng kết độ sâu lắp đặt van gas-lift, xây dựng lại đồ thị quan hệ lưu lượng khai thác lưu lượng khí bơm ép thu Hình Áp dụng lý thuyết tìm lưu Trang 331 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM lượng khí bơm ép tối ưu, sử dụng phương trình thu từ đồ thị Hình 4, thiết lập phương trình tính giá trị lưu lượng khí riêng theo lưu lượng khí bơm ép, tiếp tục áp dụng phương pháp tìm cực trị cho khoảng giá trị khí bơm ép áp dụng cho số giếng đơn vị sản xuất 15000 sm3/ngày đến 30000 sm3/ngày, thu giá trị nhỏ 15000 sm3/ngày Đây lượng khí tối ưu để áp dụng cho điều kiện giếng Sử dụng phương pháp phân tích điểm nút để đánh giá trạng thái hoạt động giếng trước sau sử dụng phương pháp gas-lift thể qua đồ thị Hình Lưu lượng dự báo khai thác tính giao điểm đường cong đặc tính dòng vào - IPR với đường cong đặc tính dòng - OPR Có thể thấy lưu lượng khai thác thay đổi đáng kể, từ xấp xỉ 40 sm3/ngày tăng lên đến 237.74 sm3/ngày Như vậy, dựa mơ phỏng, thấy hiệu mang lại áp dụng khai thác gas-lift, sản lượng khai thác thác tăng lên năm lần trường hợp Khoảng cách (ft) 2000 4000 6000 Nhiệt độ (oF) -300 -200 -100 8000 0 100 200 -1,000 1000 Độ sâu (ft) Độ sâu (ft) -2,000 2000 -3,000 3000 -4,000 4000 -5,000 5000 -6,000 290 790 6000 Hình Quỹ đạo giếng 1,290 1,790 Áp suất (psi) 2,290 Hình Đồ thị thiết kế độ sâu lắp đặt van gas-lift Bảng Kết thiết kế giếng sử dụng gas-lift liên tục Van TVD (ft) 2373.48 3832.43 4348.13 Port (in) 1/8 3/16 3/16 TRO (psi) 1166.049 1170.167 Tp (oF) 167.5 184.2 186.9 Ptmin (psi) 730.5 1115 1281 Ptmax (psi) 983 1228.67 Po,s (psi) 1350 1320 Pc,s (psi) 1338.927 1307.197 Bảng Kết thiết kế giếng sử dụng gas-lift liên tục phần mềm Pipesim TVD Port TRO Tp Ptmin Ptmax Po,s Pc,s Van o (ft) (in) (psi) ( F) (psi) (psi) (psi) (psi) 2304 1/8 1171 167 704 966 1349 1340 3832 3/16 1172 182 1114 1247 1318 1310 4448 3/16 187 1281 TVD: độ sâu theo trục thẳng đứng; Port: đường kính cửa van; TRO: áp suất mở van điều kiện 60oF; Tp: nhiệt độ; Pt: áp suất lưu chất tác dụng lên van; Po,s/c,s: áp suất mở/đóng van bề mặt Trang 332 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình Đồ thị quan hệ lưu lượng khai thác lưu lượng khí bơm ép KẾT LUẬN Nghiên cứu trình bày việc thiết kế khai thác dầu phương pháp gas-lift liên tục Phương pháp Pt min/max cho thấy khả đưa kết thiết kế nhanh chóng, áp dụng để kiểm tra nhanh độ xác thiết kế gas-lift Tuy nhiên, để nâng cao độ xác đẩy mạnh tốc độ xử lý khối lượng cơng Hình Đồ thị phân tích điểm nút việc lớn, việc áp dụng phần mềm hỗ trợ Pipesim điều cần thiết Sử dụng phương pháp tối ưu lượng khí bơm ép cách tìm giá trị nhỏ lưu lượng khí riêng cách đánh giá nhanh đơn giản, áp dụng hầu hết giếng sử dụng gas-lift Ngồi ra, áp dụng mơ hình dòng chảy phù hợp tăng độ tin cậy số liệu tính tốn REFERENCES [1] Boyun Guo, William C Lyons, Ali Ghalambor, Petroleum Production Engineering-A Computer Assisted Approach, Gulf Professional Publishing (2007) [2] Mach, J., Proano, E., and Brown, K E., A Nodal approach for applying system analysis to the flowing and artificial lift oil or gas well, SPE 8025, 1979 [3] Fang, W Y., and Lo, K K., A generalized well management scheme for reservoir simulation, SPE Reservoir Engineering 1996, 116-120 [4] Wang, P., Litvak, M L., and Aziz, K., Optimization of production from mature fields, the 17th World Petroleum Congress, 2002, Rio de Janeiro, Brazil [5] Poettmann, F H., Carpenter, P G., The multiphase flow of gas, oil and water through vertical flow strings with application to the design of gas-lift installations, API Drilling and Production Practice, 257–317 (1952) [6] Hagedorn, A R., Brown, K E., Experimental study of pressure gradients occurring during continuous two-phase flow in small-diameter vertical conduits, Journal of Petroleum Technology Vol 17 No 1965, 475–484 [7] Orkiszewski, J., Predicting two-phase pressure drops in vertical pipes, Journal of Petroleum Technology Vol 19 1967, 829– 838 [8] Beggs, H D., Brill, J P., A study of two-phase flow in inclined pipes, Journal of Petroleum Technology Vol 25 No 1973, 607–617 [9] Ansari, A M., Sylvester, N D., A mechanistic model for two-phase bubble flow in vertical pipes, AIChE Journal Vol.34 No.8 1988, 1392–1394 [10] Kaya, A S., Sarica, C., Brill, J.P., Mechanistic modeling of two-phase flow in deviated wells, SPE Journal Vol.16 No.3 2001, 156–165 [11] Ali Hernandez, Fundamentals of Gas-lift Engineering – Well Design and Troubleshooting, Gulf Professional Publishing (2016) Trang 333 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM CONTINUOUS Gas-lift DESIGN AND OPTIMIZATION FOR MULTI-STAGE WELL ABSTRACT: Oil production using gas-lift method which is one of the most popular mechanical methods applied in Viet Nam and in the world to solve the problem of reservoir pressure decrease after a period of producing or provide mechanical power to the wells for mantaining the desired output This paper presents the continuous gas-lift method, which is applied for a multi-stage well The most important results identify the number of valves, the depth of each valve and the amount of injection gas By theoretical calculations through using Excel software and Pipesim simulation software, there is significant agreement between theoretical and simulating results The volume of injection gas has been optimized to minimum the amount of gas used to produce oil from the multistage well with the same pipe Keywords: gas-lift, injection, multi-stage well, pipesim, optimization, gas-injection simulation Trang 334 ... phù hợp cho giếng Trong khai thác phương pháp gas-lift, tăng lượng khí bơm ép, lưu lượng khai thác tăng Tuy nhiên, lượng khí bơm ép vượt giá trị định (phụ thuộc vào giếng) lưu lượng khai thác không... trượt khí Ngồi ra, việc tăng liên tục lượng khí bơm ép làm cho giếng khả khai thác tượng áp suất ngược, đẩy lưu chất ngược lại vào vỉa Chế độ khai thác tối ưu lưu lượng khí riêng khí bơm ép nhỏ... quan hệ lưu lượng khai thác lưu lượng khí bơm ép KẾT LUẬN Nghiên cứu trình bày việc thiết kế khai thác dầu phương pháp gas-lift liên tục Phương pháp Pt min/max cho thấy khả đưa kết thiết kế nhanh