NGO LAM THANH TAM
Trang 2CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Mai Cao Lân Cán bộ chấm nhận xét 1: Cán bộ chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sỹ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 22 thang 07 nam 2016 Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch: 2 Thư ký: 3 Phản biện 1: 4 Phản biện 2: 5 Ủy Viên:
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
Trang 3NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Ngô Lâm Thanh Tâm MSHV: 7140313 Ngày, tháng, năm sinh: 14/12/1990 Nơi sinh: Tây Ninh
Chuyên ngành: Kỹ thuật Dầu Khí Mã số: 60520604 I TEN DE TAI:
“Ứng dụng phương pháp bơm ép nước có nồng độ muối thấp gia tăng hệ số thu hồi dau trong mé X”
II NHIEM VU VA NOI DUNG:
Nhiệm vụ: Nghiên cứu về các cơ chế tác động chính, nhân tố ảnh hưởng, mơ hình tính tốn của phương pháp bơm ép nước có nông độ muôi thâp Mô hình hóa và mô phỏng quá trình thu hôi dâu băng phương pháp LSW,
Nội dung: Luận văn trình bày các vấn đề: Tổng quan về phương pháp thu hồi dầu tăng cường (EOR) và phương pháp bơm ép nước có nồng độ muối thấp (LSW), cơ chế tác động chính, mô hình tính tốn Mơ hình hóa cơ chế tác động chính của LSW Mô phỏng quá trình bơm ép nước có nông độ muối thấp trong mỏ X theo các phương án khai thác cần khảo sát, từ đó lựa chọn phương án tôi ưu có thể áp dụng trong thực tế
I NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2016
HI.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/07/2016
IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Mai Cao Lân
Tp.HCM, ngày tháng năm 2016
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
TRƯỞNG KHOA
Trang 4LOI CAM ON
Sau một quãng thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa thành phố
Hồ Chí Minh Luận văn thạc sỹ với đề tài “ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP BƠM ÉP NƯỚC CO NONG DO MUOI THAP GIA TANG HE SO THU HOI DAU TRONG
MỎ X” đã được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thây Mai Cao Lân thuộc khoa Kỹ thuật
Địa chất và Dầu khí trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Thây đã tận tình chỉ dẫn cũng như dạy bảo, truyền đạt những kiến thức quý báu để tôi có thể hoàn thành luận văn của mình Tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt sâu sắc và chân thành đến thây
Cảm ơn đến những thầy cô trong và ngoài nhà trường đã tạo điều kiện thuận lợi và chỉ dạy những kiến thức chun mơn cho tơi hồn thành khóa học Bên cạnh đó cũng không quên gửi lời cám ơn đến những người bạn, những đồng nghiệp đã bên cạnh động viên và hỗ trợ
những tài liệu bỗ ích để tơi hồn thành luận văn
Sau cùng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình đã luôn bên cạnh, động viên và là chỗ
dựa vững chắc nhất đề tôi an tâm thực hiện luận văn
Học viên
Ngô Lâm Thanh Tâm
Trang 5in a large amount of identified oil left behind despite an existing production infrastructure The need to improve the recovery factor and the accelerating of the associated production is the main driver behind the many EOR schemes in practice around the world
Waterflooding is applied intensively worldwide to improve oil recovery It was observed that injection of low salinity water can enhance oil recovery as compared to high salinity water injection This technology attracts the industry's interest due to its simplicity and low cost The best known proposed mechanisms for low salinity effect are fines migration, pH increase, double layer expansion and multicomponent ionic exchange (MIE) Even though many mechanisms have been proposed, none of them have been accepted as the main mechanism behind the low salinity effect The complex oil/brine/rock interactions are still being debated in the literature The type of clays present in the sandstone and polar components in the crude oil, are important factors for observing low salinity effect The temperature and the amount of divalent cations in the formation water, especially Ca2+ and Mg2+, are also important factors for observing low salinity effect It is assumed that the low salinity effect is a result of altering the wettability of the rock to a more water-wet condition The rock becomes more water-wet when organic material is desorbed from the clay surface Low initial pH is important in order for adsorption of polar components to the permanent negatively charged clay surface to occur Desorption of Ca2+ ions from the clay surface and desorption of organic material from the clay surface will occur as a result of acid/base reactions This will promote a pH increase
The objectives of this paper are to investigate the efficiency of low salinity water in secondary and tertiary recovery modes, and to understand the mechanisms by which the water salinity improves the oil recovery Furthermore, the experimental work was conducted to study the applicability of low salinity water as an EOR technique in the field Therefore, crude oil and synthetic brines were used; these brines were prepared at salt concentrations similar to a real case In addition, all the experiments were run at high temperature to simulate reservoir conditions Coreflood experiments using sandstone
Trang 7kiệt, phương pháp bơm ép nước có nông độ muối thấp (LSW) đang mở ra một hướng di mới, giúp tận thu lượng dầu dư còn sót lại trong lòng đất Tuy nhiên, để áp dụng phương pháp này một cách hiệu quả cần hiểu rõ bản chất, tác động của môi trường đến phương pháp Với tính cấp thiết trên, đề tài “Ứng dụng phương pháp bơm ép nước có nông độ muối thấp gia tăng hệ số thu hồi dầu trong mỏ X” được chọn để nghiên cứu trong luận văn này Phần mở đầu của luận văn tông hợp các kết quả, tình hình nghiên cứu LSW trong phòng thí nghiệm và trên phạm vi mỏ, trong nước và trên thế giới Nhìn chung, phương pháp LSW đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi từ những năm 1990 trên thế giới Tuy nhiên, tình
hình nghiên cứu ở Việt Nam vẫn còn khá hạn chếễ với rất ít bài báo được xuất bản Do đó,
luận văn này sẽ giúp người đọc có thêm nhiều kiến thức cân thiết về phương pháp này Ngoài ra, đây cũng là luận văn Thạc Sĩ đầu tiên trình bày về đề tài này tại trường DH Bach
Khoa TP.HCM
Chương 1 của luận văn hệ thống hóa nên tảng lí thuyết của phương pháp LSW (các khái niệm co bản về độ thấm tương đối, cơ chế tác động, ảnh hưởng môi trường ) Nhiều
nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã chỉ ra ba (3) cơ các chế tác động chính của LSW: sự
trao đổi ion đa thành phần (MIE), hiệu ứng hai lớp, sự gia tăng pH Về lý thuyết, các cơ chế này sẽ phá vỡ liên kết giữa dầu thô và bề mặt sét của đá vỉa, kết quả là làm tăng tính
linh động của dâu và tận thu được lượng dầu dư còn sót lại trong lòng đất Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng môi trường thích hợp để áp dụng phương pháp LSW là cát kết chứa sét,
đá vỉa dính ướt dầu hoặc có tính dính ướt hỗn hợp
Đóng góp chính của luận văn được trình bày ở chương 2, trong đó 3 cơ chế chính của quá trình LSW được mô hình hóa Việc mô hình hóa được thực hiện trên nguyên tắc mô tả ảnh hưởng tổng hợp ảnh hưởng của 3 cơ chế này đến độ bão hòa nước tới hạn, độ bão hòa dầu dư, độ thắm tương đối của dầu và nước, áp suất mao dẫn Hay nói cách khác, việc mô hình
hóa quá trình này được thê hiện qua việc hiệu chỉnh đường cong độ thẫm tương đối và
đường cong áp suất mao dẫn theo nông độ muối Quá trình hiệu chỉnh có sử dụng các hệ số
Trang 8đường cong áp suất mao dẫn Các hệ số F1, F2 lớn hay nhỏ phụ thuộc vào nhiều yếu tô như tính chất vỉa chứa và dâu thô, nồng độ muối có trong nước thành hệ và nước bơm ép Kết quả thu được cho thấy đá vỉa trở nên dính ướt nước hơn khi nồng độ muối trong nước bơm ép giảm
Phương pháp Jerauld et al (2008)[9] cũng được áp dụng để mô phỏng quá trình thu hồi dầu
bằng phương pháp LSW trong mỏ X bằng phần mềm Eclipse 100 (2011.1) Kết quả mô
phỏng cho thấy, hệ số thu hồi dâu càng cao, thời gian nước xâm nhập càng chậm, hàm lượng nước càng thấp khi nồng độ muối trong nước bơm ép càng giảm Tuy nhiên, khả năng phục hồi áp suất via khi bơm nước có nông độ muối thấp kém hơn so với bơm nước biển Ngoài ra, thời gian bơm ép LSW và nồng độ muối cũng ảnh hưởng đáng kê đến kết quả thu được Xem xét một số phương án khai thác cần thiết, kết quả cho thấy bơm ép luân phiên nước biển và nước có nồng độ muối thấp cho kết quả tốt hơn phương án chỉ bơm ép nước biến hoặc nước có nồng độ muối thấp, và nồng độ muối thích hợp để bơm ép trong khoảng 1000 — 7000 ppm Từ đó, tìm được phương án khai thác tối ưu trong thực tế
Trang 9Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP BƠM ÉP NƯỚC CÓ NONG ĐỘ MUÔI THẬP GIA TANG HE SO THU HOI DAU TRONG MO X” là
công trình nghiên cứu của cá nhân tôi Các số liệu trong luận văn là các số liệu trung thực
Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016
Ngô Lâm Thanh Tâm
Trang 10LUẬN VĂN THẠC SĨ MỤC LỤC IM.958)/00/98500/5Ẽ0.0)0:00215757 1 IM.9s8)/00/98:7.9168:112002225 - 3 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮTT 2 2 + +E£ExeEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkvrerrerrerkrrrrrree 4 /60527.105 — ).)à)à)H HA ÔỎ 5 1 _ Tính cấp thiết của đề tài 25s 22 St E211 15711111111 errrkee 5 2 \ 0s 8i143)1i000 T7 6
3 _ Nội dung, nhiệm vụ, đối tượng nghiÊn CỨU - <5 sssEssssesssss 6 4 Phương pháp nghiÊn CỨU - 55 S3 1 ng ng re 7 5 § i08 401-0011 7
6 _ Y nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn 22 -5< se cxerererxrrereererrrees 11 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUY ẾTT 2-2 ©2+ 2 +++2xeEEeEEeEEeEereererxerrerxerrerxee 12 In Cái 0 12
1.1.1 Tổng quan về phương pháp thu hôi dầu tăng cường (EOR) 12
1.1.2 Phương pháp bơm ép nước có nông độ muối thấp (LSW) 14
IV N9 0(//.8)2.1‹n.n 17
1.2 Cơ chế tác động của phương pháp LSW . 22-52 S2 ecEsrEreerrrerereee 19 1.2.1 Trao đổi lon ẵa thành phần (MIE)) - ST 111121111 c2 20 1.2.2 Hiệu ứng hai lớp (Double-layer @[ƒ@€C) .-Ă-ĂĂS+++<3555351 151 555s+e 22 In 5 a 0n 23
1.3 Ảnh hưởng của môi trường 2-2 2 ++++E+EE£EvEEvEEererxrreererxrrerrees 26 CHƯƠNG 2 MÔ HINH HÓA QUÁ TRÌNH LSW CHO MỎ X 28
2.1 Thu thập số liệu đầu vào + - << x2 1 1E 2 1315 1115110511 EXe 29 2.2 Mô hình hóa cơ chế MIE và hiệu ứng hai lớp . -2-2- 25s zceceezse: 33
2.3 Mô hình hóa cơ chế gia tăng pH . 2 222 +E+2z+E£ESEEEEEcEeESEErrerkrrxrkrrered 37
Trang 11CHƯƠNG 3 MO PHONG Q TRÌNH THU HƠI DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP
41
3.1 Mục đích - - - cccc ng nh ng ni ch cv 41
SA I9): 60 009i 1077 41 3.2.1 Thu thập thông số ẪU VÀO - << SH SH HH1 1111111111111 161 c66 4] 3.2.2 Lập danh sách các phương Gn khai thac cOn KNGO SGt oceccccecesesessesesesesesees 45 3.2.3 CHOY M6 PUONg 6n 47 3.2.4 Phéin tich két QUGeeccceccccscscssssecsscssesecscsssessesusssscsesescessssesescucscsestsesecasananenenens 49 k6 (ánh - ),H.H,A 58 KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ - - ©22S2S22 22221221221 112111112111121 1tr 61 IV 188/2089:/ 1/04: 010n 2 64
PHU LUC ceececcssssscecsessscecessnsecccssenseeccsnaeeecssessseecssscssessesssaecsessuesesesenaeeeesenauesesenanees 65
1 Lí do sét tích điện âm vĩnh viễn G2 SE E13 Sex xe xe 65
Trang 12LUẬN VĂN THẠC SĨ
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Mơ tả các giai đoạn thu hồi dâu . 2 + 2-2222 EvErErErrreererrererred 14 Hình 1.2 Minh họa hệ số quét thể tích + +5 2E +E+E2EE£EEEEE£ESEZEEEEEErEererxrersee 14
Hình 1.3 Số lượng bài báo về LSW được công bố qua các năm . - 5: 15
Hình 1.4 Đường cong độ thâm tương đối trong hai quá trình hấp thụ và tháo khô 18
Hình 1.5 Đường cong độ thâm tương đối minh họa cho đá dính ướt dầu và nước 19
Hình 1.6 Các dạng liên kết giữa thành phần phân cực trong dâu thô và bề mặt sét 20
Hình 1.7 Quá trình trao đôi ion đa thành phần (MIE) 22s sex £Es£EeEereersei 22 Hình 1.8 Quá trình hoạt động của cơ chế hiệu ứng hai lớp . - 5s s+ss<+ 23 Hình 1.9 Sự di cư của các hạt mỊn - - C22222 ng ng nen rer 23 Hình 2.1 Tóm tắt quá trình thí nghiệm mẫu lõi . ¿2 + 2 2 +sz++£x+se se: 30 Hình 2.2 Đường cong độ thâm tương đối trong hai trường hợp bơm ép nước biến và 36
Hình 3.1 Sự phân bố độ rỗng trong mô hình vỉa chứa 2 252 se sec: 43 Hình 3.2 Sự phân bố độ thấm theo phương X trong mô hình via chứa 43
Hình 3.3 Sự phân bố độ thấm theo phương Y trong mô hình via chứa 43
Hình 3.4 Sự phân bó độ thắm theo phương Z trong mô hình via chứa 43
Hình 3.5 Kết quả của phương án HS ©-5- 2E +E+ESEE£EEEEE£EEESEEEEEErErrrrxrersee 50 Hình 3.6 Kết quả của phương án LƯS + + + 2E +E+EEE£E*EEEE£ESESEEEEeverkererxrersee 51 Hình 3.7 Hệ số thu hồi dầu khi khoảng thời gian bơm LSW thay đổi 53
Hình 3.8 Lưu lượng dầu khai thác khi khoảng thời gian bơm LSW thay đôi 53
Hình 3.9 Hàm lượng nước khi khoảng thời gian bơm LSW thay đỗi 54
Hình 3.10 Áp suất vỉa khi khoảng thời gian bơm LSW thay đỗi - 5 - 54
Hình 3.11 Hệ số thu hồi dầu khi nồng độ muối của nước bơm ép thay đôi 56
Hình 3.12 Lưu lượng dầu khai thác khi nồng độ muối của nước bơm ép thay đổi .56
Hình 3.13 Hàm lượng nước khi nồng độ muối của nước bơm ép thay đồi 57
Trang 13Hình 3.15 Độ bão hòa dâu trước khi bơm LLSW . .-¿- 2 2552 S<cS2£tcvsrrsereerees 59 Hình 3.16 Độ bão hòa dâu sau khi bơm LSW theo phương án HS-LS-HS2 59 Hình 4.1 Thành phần khoáng vật sét có trong đất đá 22s sec ersrreereerees 65
Hình 4.2 Câu trúc mạng tỉnh thể của 4 loại khoáng vất sét . 22c s+s+s+see 67
Hình 4.3 Biéu dé thê hiện ba nhóm thành phân chính của dâu thô . 68 Hình 4.4 Câu trúc hóa học của dâu thô ¿2-2252 SE +++EE2EEEEEExeErkrvrrxrrererreee 69
Trang 14LUẬN VĂN THẠC SĨ
DANH MUC BANG BIEU
Bang 1.1 Tổng kết một số trường hợp ứng dụng LSW trên phạm vỉ mỏ 16
Bảng 1.2 Các cơ chế hấp thụ của hợp chất hữu cơ lên bề mặt khoáng vật sét 21
Bang 2.1 Bang đường cong độ thấm tương đối khi bơm HSW (40000 ppm) 30
Bảng 2.2 Bảng đường cong độ thâm tương đối khi bơm LSW (0 ppm) 31
Bảng 2.3 Bảng độ bão hòa nước tới hạn và độ bão hòa dầu du theo nồng độ muối 31
Bảng 2.4 Bảng độ thắm tương đối của dầu và nước theo nồng độ muối 32
Bảng 2.5 Bảng áp suất mao dẫn theo nông độ muối 2- +2 2 s£+£E+Sz sec: 32 Bảng 2.6 Bảng minh họa gia tri Swer, Sor, Krw, Kro tính được từ hệ s6 Fl gia định với nồng độ muối 1000 ppIm - - 22 + 2E 2+8 £E£ESEEEE#EEEEEEEESEEEEEEEEEEEEEE5 325122 erxee 35 Bảng 2.7 Bảng kết quả F1 theo phương pháp bình phương cực tiểu với nồng độ muối 99989 0117 35
Bảng 2.8 Bảng hệ số F1 theo nồng độ muối . - +2 + 2+ £E+E£E£Eevx£Eezsrzrersee 36 Bang 2.9 Bang minh hoa giá trị Pcow tính được từ hệ số F2 giả định với nồng độ muối 9998 8 38
Bảng 2.10 Bảng kết quả F2 theo phương pháp bình phương cực tiểu với nồng độ muối 999095: 8181 39
Bảng 2.11 Bảng tổng hợp hệ số F1, F2 theo nồng độ muối - 5- 2555: 39 Bảng 3.1 Tóm tắt các phương án khai thác có thể có . ¿- - 2 s2 z+eezszzcscsee 47 Bảng 3.2 Tổng kết các từ khóa chuyên dụng mô phỏng quá trình bơm LSW trong Eclipse 0000208500 48
Bảng 3.3 Bảng tổng kết hệ số thu hồi dầu trong các phương án khai thác 60
Trang 16LUẬN VĂN THẠC SĨ
MO DAU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Dâu khí là một ngành công nghiệp chủ đạo của nước ta, giữ một vai trò rất quan trọng trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước và đóng góp vào ngân sách nhà nước một nguồn ngoại tệ đáng kể, góp phân thúc đây sự phát triển nên kinh tế nước nhà
Trong tình cảnh nhu cầu năng lượng này càng cao, nhưng nguồn cung ngày càng cạn kiệt, phương pháp thu hồi dầu tăng cường (EOR) đã mở ra một hướng đi mới giúp duy trì và gia tăng sản lượng khai thác dâu trong giai đoạn khó khăn hiện nay Trong đó, bơm ép nước có nồng độ muối thấp (LSW) là một trong những phương pháp đang nhận được nhiều sự quan tâm do những lợi ích mà phương pháp mang lại Thứ nhất, có thê được triển khai ngay trên những dự án mới hoặc dự án đã có sẵn đang hoạt động trên đất liên hoặc ngoài biên Thực tế đã chứng minh được ảnh hưởng tích cực trên các mỏ cát
kết và carbonat Thứ hai, LSW không những có thể áp dụng độc lập mà còn kết hợp hiểu
quả với các phương pháp thu hồi dâu tăng cường (EOR) hóa học như bơm ép polymer, surfactant Thật vậy, nhiều nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và khai thác thử trên phạm vi mỏ đã chứng minh hệ số thu hồi dầu tăng lên khi nồng độ muối trong nước bơm ép giảm xuống Tiêu biểu, McGurre et al., 2005 đã chỉ ra răng bơm ép nước có nồng độ muối thấp có thê gia tăng hệ số thu hồi dầu thêm 40% so với phương pháp bơm ép nước truyền thống bằng nước biển khi được áp dụng trong những vỉa cát kết LSW đang là một giải pháp đây hứa hẹn do 50% các mỏ dầu khí truyền thống trên thế giới đều được tìm thấy trong các vỉa cát kết với hàm lượng khoáng vật sét khá cao, được xem là môi trường thích hợp để áp dụng phương pháp này
Tuy nhiên, phương pháp này còn khá mới mẻ ở Việt Nam, số lượng bài báo viết
về dé tài này cũng rất hạn chế Ngồi ra, việc tơi ưu hóa phương pháp LSW hiện nay gặp
Trang 17quả của phương pháp Do đó, yêu cầu người kĩ sư công nghệ mỏ phải nắm rõ chuyên
môn lẫn kinh nghiệm thực tiễn Với tính cấp thiết ấy, được sự đồng ý và giúp đỡ của các
thầy cô trong bộ môn Khoan & Khai Thác Dầu Khí của khoa Kỹ Thuật Địa Chất & Dầu Khí Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, đề tài được chọn: “ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP BƠM ÉP NƯỚC CO NONG DO MUOI THAP GIA TANG HỆ SỐ THU HOI DAU TRONG MỎ X” Đây cũng là luận văn Thạc Sĩ đầu tiên trình bày về đề
tài này tại trường ĐH Bách Khoa HCM 2 Mục tiêu nghiên cứu
- _ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phạm vi ứng dụng của phương pháp LSW, các cơ
chế chính, nhân tố ảnh hưởng
- _ Từ kết quả trong phòng thí nghiệm, mô hình hóa lại cơ chế tác động chính của phương pháp LSW, và mô phỏng quá trình thu hồi dầu bằng phương pháp LSW để tìm phương án khai thác tối ưu nhất
3 Nội dung, nhiệm vụ, đối tượng nghiên cứu
- _ Nội dung: luận văn tập trung giải quyết các vẫn đề
e _ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết: phạm vi ứng dụng của phương pháp LSW, thuận lợi và rủi ro khi áp dụng trong phạm vi mỏ, các cơ chế chính, nhân tố ảnh hưởng
e_ Mô hình hóa cơ chế tác động chính của LSW: thông qua việc thay đối độ bão
hòa tới hạn của nước, độ bão hòa dau dư, độ thấm tương đối của chất lưu và áp suất mao dẫn từ cơ sở lý thuyết đã có
e Mô phỏng quá trình thu hồi dau bằng phương pháp LSW: để đánh giá ảnh hưởng của thời gian bơm LSW và nồng độ muối đến kết quả thu được Từ đó,
lựa chọn phương án khai thác tối ưu
- _ Nhiệm vụ:
e_ Thu thập, đánh giá và phân tích tài liệu gồm các bài báo, sách chuyên ngành
Trang 18LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tìm hiểu và ứng dụng phần mềm Eclipse 100(2011.1) trong quá trình mô phỏng
- _ Đối tượng nghiên cứu: mỏ X 4 Phương pháp nghiên cứu
- _ Phương pháp thu thập tài liệu: thu thập, tông hợp và phân tích các nghiên cứu liên quan đã được công bô trong và ngoài nước
- Phương pháp thực nghiệm: nghiên cứu thực tế trong phòng thí nghiệm và tiễn hành khai thác thử trên phạm vi mỏ - _ Phương pháp mô phỏng số: xây dựng mô hình dựa trên các giả thuyết có sẵn 5 Tình hình nghiên cứu Ngoài nước Trong phòng thí nghiêm:
Năm 1990, kết quả nghiên cứu của đại học Wyoming chỉ ra rằng nước bơm ép với hàm lượng chất răn hòa tan tổng cộng (TDS) không vượt quá 5000 ppm sẽ góp phần làm cho lượng dâu thu hồi tăng lên so với phương pháp bơm ép nước truyền thông bằng nước biên [9]
Bernard (1997)[9] đã quan sát được sự gia tăng lượng dầu thu hồi bằng cách cho giảm độ mặn từ 15000 ppm xuống còn 100 ppm khi bơm ép nước trong phòng thí nghiệm
Tang and Morrow (1999)[9] va McGuire et al (2005)[9] đã chứng minh việc giảm nồng độ muối trong nước bơm ép có thê làm gia tăng hệ số thu hồi dau
Webb et al (2005)[9] cũng khăng định hệ số thu hồi dầu có thê được cải thiện
khi áp dụng phương pháp bơm ép nước có nồng độ muối trong khoảng 1000- 2000 ppm
Larger et al (2007)[9] đã báo cáo rằng hệ số thu hồi dầu gia tăng trung bình
Trang 19e Austad et al (2010)[9] da dua ra một cơ chế hóa học mới dựa trên tác động của nước bơm ép có nồng độ muối thấp: cơ chế thay thế cation Ca2+ bởi cation
H+ trên bề mặt tích điện âm vĩnh viễn của lớp sét khi bơm ép nước có nồng
độ muối thấp, làm gia tăng độ pH cục bộ và giải phóng các vật liệu hữu cơ ra khỏi bê mặt sét dân đên gia tăng hệ sô thu hôi dâu
Tronø pham vi mỏ:
e Từ những kết quả khả quan trong phòng thí nghiệm, nhiều công ty điều hành dâu khí đã bắt đầu áp dụng LSW trên phạm vi mỏ trong suốt hai thập kỷ qua
(McGurre et al., 2005; Lager et al., 2008a, 2008b; Skrettingland et al., 2010; Thyne and Gamage, 2011)[9]
e Lager et al (2006)[9] cing thu được kết quả khả quan khi áp dụng cho dầu có hệ số axit thấp (acid number < 0.05) ở khu vực Biên Bắc (hệ số thu hồi dầu
tang 40%)
e McGuire et al (2005)[9] va Lager et al (2008)[9] đã áp dụng bơm ép nước có nông độ muỗi 3000 ppm, từ kết quả theo vết hóa học cho giếng đơn (single- well chemical-tracer tests - SWCTT), cho thay hé số thu hồi dầu gia tăng khoảng 6- 12% Một thí nghiệm LSW SWCTTT thành công khác được thực hiện bởi Seccombe et al (2010){9] trong via dầu trưởng thành ở khu vực North Slope, Alaska
e_ Hơn nữa, nhiều bằng chứng lịch sử ở khu vực bồn trững Powder River thuộc
Wyoming được báo cáo bởi Robertson (2010)[{9] cũng cho thay hệ số thu hồi
dầu có khuynh hướng gia tăng khoảng 12.4% khi nồng độ muối của nước bơm ép giảm
Trang 20LUẬN VĂN THẠC SĨ
e LỸW cũng được trông đợi là một giải pháp trong những vỉa mà phương pháp khai thác truyền thống không mang lại hiệu quả do tính bất đồng nhất của vỉa
cao, nhiệt độ cao, nồng độ muối cao hoặc chứa nhiều tạp chất (Dang et al., 2011c; 2014c)[9]
Mơ hình tính tốn:
Dựa trên các cơ chê tác động chính của LSW: sự thay đôi tính dính ướt của đá via, qua trình trao đôi 1on, các phản ứng địa hóa giữa dâu thô và bê mặt đá vỉa, nhiêu mô hình hóa học và vật lí đã được đê xuât như sau:
e Jerauld et al (2008)[9] đã xây dựng mô hình diễn tả sự thay đối tính đính ướt của đá vỉa thông qua việc thay đôi đường cong độ thắm tương đối của dầu và nước Phương pháp của ông được xây dựng dựa trên mô hình bơm ép nước truyền thống của Buckley và Leveret Từ kết quả thí nghiệm, tác giả đã tìm ra các hệ số F1, F2 giúp hiệu chỉnh lại đường cong độ thẫm tương đối như một hàm của nồng độ muối trong nước bơm ép khi thông số này thay đổi
e_ Omekeh et el (2012)[9] đã đưa ra mô hình diễn tả quá trình trao đôi ion và sự hòa tan chất rắn trong LSW Tác giả xem xét dòng chảy hai pha dầu, nước có chứa các ion Na+, Mg++, SO4- va Cl- Cac ions tham gia vào quá trình trao
đổi ion với bề mặt sét tích điện âm một cách nhanh chón ø Theo mô hình, tong
luong ions héa tri IT dugc thai ra tir bê mặt đá làm thay đôi độ thấm tương đối và dầu trở nên linh động hơn Sự giải phóng của các ions hóa trị II được xem
là cơ chế chính của LSW Tuy nhiên, lý thuyết trong mô hình này đối lập với
Trang 21e Rueslatten et al (2008)[9] đã nghiên cứu LSW trên mẫu lõi North Slope (trong
đó độ pH tăng từ 5 đến 6) và đã tiễn hành xây dựng mô hình bằng phân mềm địa hóa PHREEQC Tuy nhiên, mô hình này chỉ mô hình hóa được sự thay
đối độ pH ở mức tương đối do thành phân hữu cơ cực kì khó mô phỏng Phần
mềm địa hóa truyền thống như PHREEQC không thê xử lí một cách đầy đủ các phản ứng hóa học phức tạp
e Sorbie và Collin (2010)[9] đã giới thiệu một mô hình giả định lượng (semn- quantitative) để mô tả quá trình trao đôi ion đa thành phần trên mẫu lõi Mô hình này cho thấy kết quả của sự thay đổi cặp lớp tích điện và sự hấp thụ của thành phần hữu cơ phân cực Tuy nhiên, kết quả tiên đốn của mơ hình thì không thuyết phục và cần kết hợp với các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm
để kiểm tra tính chính xác của mô hình
e Evje va Hiorth et al (2012)[9] đã giới thiệu mô hình kết hợp hai yếu tố: dòng
chảy hai pha dầu — nước và sự tương tác giữa đá và nước trong vỉa carbonate Mô hình tập trung chủ yếu vào sự hòa tan của calcite, do tác giả tin rằng quá trình này chịu trách nhiệm cho hiệu quả của LSW Theo giả thuyết của tác giả, nước biên ở trong trạng thái cân bằng calcite, nhưng calcium trong nước biển sẽ tương tác với sulfate ở nhiệt độ cao, dẫn đến sự lắng đọng của alhydrite Do đó, nước biến phải lây calcium từ đá để duy trì sự cân bằng calcite, và nguồn gốc của cation Ca++ đến từ sự hòa tan calcite Nếu sự hòa tan calcite
diễn ra tại nơi dầu bị hấp thụ, dầu có thê được giải phóng khỏi đá vỉa Tuy
nhiên, không có sự so sánh giữa kết quả từ mô hình và các thí nghiệm mẫu lõi
để kiểm tra tính chính xác của mô hình Al-Shalabi et al (2014)[9] đề xuất
rằng không có mối quan hệ giữa sự hòa tan khoáng vật và sự gia tăng lượng dâu thu hồi từ LSW Sự hòa tan calcite có thê đóng một vai trò trong LSW, nhưng không phải là nguyên nhân trực tiếp dẫn đến sự thay đổi tính dính ướt trong suốt quá trình LSW
Trang 22
LUẬN VĂN THẠC SĨ
e Korrani et al (2013)[9] da két hop phần mêm địa hóa IPHREEQC và phần mềm UTCHEM đề mô hình hóa các cơ chế chính của LSW Tác giả chỉ nghiên
cứu một trường hợp đơn giản để so sánh khả năng mô hình hóa quá trình trao đối cation của hai phân mềm Sự so sánh hầu như không có tác dụng do mô
hình UTCHEM-IPHREEQC được xây dựng dựa trên mô hình gốc là
IPHREEQC Tuy nhiên, kết quả từ mô hình cần được kiêm chứng với các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và trên phạm vi mỏ
Trong nước
e Hién nay, tình hình nghiên cứu về LSW ở nước ta vẫn còn khá hạn chế với rất
ít bài báo vê đê tài này được xuât bản
6 Y nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn
- —Y nghĩa khoa học:
e Trinh bay mối tương quan giữa quá trình trao đối ion, sự gia tăng pH đến
việc thay đôi tính chất vỉa chứa và chất lưu được biểu hiện bằng sự thay đôi
của đường cong độ thâm tương đối và áp suất mao dẫn, kết quả là làm gia tăng
hệ số thu hồi dâu
e_ Mô hình hóa cơ chế tác động chính của LSW và mô phỏng quá trình thu hồi
dâu bằng phương pháp LSW
- Y nghĩa thực tiễn:
e_ Giải thích một cách hệ thống và chi tiết cơ sở lý thuyết của phương pháp LSW
như các cơ chế chính, ảnh hưởng môi trường, phạm vi áp dụng, , đồng thời
trình bày quá trình mô hình hóa và mô phỏng quá trình thu hồi dầu bằng
phương pháp LSW Luận văn này có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu chuyên liên quan hoặc chuyên sâu sau này
Trang 23CHUONG 1 CO SO LY THUYET
1.1 Giới thiệu
1.1.1 Tổng quan về phương pháp thu hôi dầu tăng cường (EOR)
Hiện nay, trữ lượng dầu khí ở những mỏ đã phát hiện đang dân đi vào giai đoạn suy kiệt do khai thác quá mức trong khi số lượng những mỏ mới được phát hiện trong một thập kỉ qua hầu như rất ít Hơn nữa, hệ số thu hồi dâu đối với các mỏ khai thác bằng năng lượng tự nhiên của vỉa hoặc trong giai đoạn khai thác thứ cấp chỉ đạt khoảng 10% - 35%, do đó phương pháp thu hồi dầu tăng cường (EOR) đóng một vai trò quan trọng, giúp tận thu được lượng dâu dư còn sót lại trong lòng đất Về mặt lý thuyết, phương pháp EOR
làm thay đối tính chất vỉa chứa và chất lưu, cải thiện hệ số đây và hệ số quét, giúp gia tăng lượng dâu thu hồi Các phương pháp EOR có thể được chia thành ba nhóm chính là
“ø1a nhiệt, hóa học và bơm ép khí” Tùy điều kiện địa chất, đặc tính ly hoa cua đá vỉa và chất lưu, hệ thống khai thác, điều kiện kinh tế và cơ sở vật chất, mà lựa chọn phương pháp EOR thích hợp để đạt hiệu quả cao nhất Nhiều nghiên cứu đã được tiền hành từ
năm 1950 đã chứng minh rằng hệ số thu hồi dau (RF) gia tang dang ké khi 4p dung
phương pháp EOR
e_ Hệ số thu hôi dầu (RE): được định nghĩa là tỷ số giữa lượng dầu khai thác được trên tổng lượng dâu có trong mỏ ban đầu
Lượng dầu khai thác (Np)
Hệ số thu hôi dầu (RE) = -~ ==-========================m==m
Lượng dầu có trong mỏ (OOIP)
Hệ số thu hồi dầu (RF) phụ thuộc vào các thông số: (a) hệ số đây dầu (En); (b) hệ số quét vùng (Ea); hệ số quét thắng đứng (Ev); (d) chi sé mao dan (Nc)
Trang 24
LUẬN VĂN THẠC SĨ e_ Hệ số đây dầu (E), hệ số quét vùng (Ea) và hệ số quét thắng đứng (Ev) được định RE OOE nghia nhu sau: Hệ số đầy dâu” Hệ số quet vùng Hệ%ó quét thăng đứng Ep EA Ev
Lién quan toi Nc || Là hàm của Là hàm của
Ne kiểm soái - Kha nang di - Lực nhớt
lượng dau con lai chuyén của chât - Lire mao dan
trong via Sor bi quét (dau)
Ne la ham cua - Mạng lưới giếng - Lire nhớt khai thác - Lực mao dân - D6 bat đồng nhất theo ving - Lượng chất bơm e_ Chỉ số mao dẫn (Nc) là hàm của lực nhớt và lực mao dẫn: Lực nhớt Uụ “ Lựcrmnaodẫn acos@ Trong đó,
y— Vận tốc (Darcy) bom ép chat luu thay thé (m/s), u— D6 nhot cua chat luu thay thé (Pa.s);
Ø — Sức căng bê mặt liên diện giữa 2 pha dâu — nước (mN/m, dyn/cm);
cos6 — Góc dính ướt của chất lưu thay thể
Nhiều nghiên cứu cho thấy: hệ số thu hồi dầu (RF) tăng khi chỉ số mao dan (Nc) tang
Trang 25
VIL PRORUCTION hroproved techy akagy teouagh research ở wicca @ = Tx ` ¥ réw' XY B9 MA VÝ Đ€ÊÕÔVE& VY SECGNDARY RECOVERY ENHANCED Si RECOVERY (i A ‘ ˆ 1p" ` ‘ 1 xí † * sj:'‹ 0Ì + ' ;
Hình 1.1 Mô tả các giai đoạn thu hồi dầu [9]
VERTICAL SWEEP EFFICIENCY UNSWEPT UNSWEPT ky ii TT “Ht sais: | 3 k k ks
SWEPT ZONE UNSWEPT
Hinh 1.2 Minh hoa hé sé quét thé tich [9]
1.1.2 Phương pháp bom ép nwéc cé néng a6 mudi thap (LSW)
Phương phap LSW đã được áp dụng từ những năm 1960 nhưng những ảnh hưởng của phương pháp này lần đầu tiên được công bố là vào đầu những năm 1990, khi kết quả nghiên cứu của đại học Wyoming chỉ ra rắng nước bơm ép với hàm lượng chât răn hòa
Trang 26LUẬN VĂN THẠC SĨ
tan tong céng (TDS) không vượt quá 5000 ppm sẽ góp phần làm cho lượng dâu thu hồi tăng lên so với phương pháp bơm ép nước truyền thống bằng nước biên Kê từ đó, một
loạt các nghiên cứu khác được công bố với nhiều kết quả khác nhau, nhìn chung, lợi ích
thu được từ phương pháp này còn tùy thuộc vào từng mỏ
Phương pháp LSW mang lại khá nhiều lợi ích tiềm năng Thứ nhất, có thê được triển khai ngay trên những dự án mới hoặc dự án đã có sẵn đang hoạt động trên đất liền hoặc ngoài biên Thực tế đã chứng minh được ảnh hưởng tích cực trên các mỏ cát kết và carbonat Thứ hai, LSW không những có thê áp dụng độc lập mà còn kết hợp hiểu quả với các phương pháp thu hồi dâu tăng cường (EOR) hóa học như bơm ép polymer, surfactant
Tuy nhiên, nguyên nhân dẫn đến hiệu quả của phương pháp LSW vẫn chưa được hiểu
Trang 28LUẬN VĂN THẠC SĨ
1.2.3 Các khái niệm cơ bản
Đê hiêu được cơ chê tác động của LSW một cách đây đủ và trọn vẹn, một sô khái niệm
cơ bản cân được nhắc lại như độ thâm tương đôi, áp suât mao dẫn, độ bão hòa tới hạn và độ bão hòa dư
a) Độ thấm tương đổi [9]
Độ thấm tương đối là tỷ số giữa độ thâm hiệu dụng của từng loại lưu chất riêng biệt (dầu,
khí, nước) trên độ thấm tuyệt đối, là thông số quan trọng nhất để đánh giá dòng chảy đa pha trong vỉa, được định nghĩa, do đó độ thắm tương đối cũng là là một hàm của độ bão hòa chất lưu trong vỉa và đặc trưng cho đính ướt của thành hệ
Kg Kry = › Kyo =~; Krg — "v Trong đó, Krw, Kro, Krg: độ thẩm tương đối của nước/dâu/khí
Kw, Ko, Kg: d6 tham pha/độ thấm hiệu dụng của nước/dâu/khí K: độ thấm tuyệt đỗi
b) Quá trình tháo khô (dratnage process) [9]
Quá trình này được định nghĩa là quá trình mà pha không dính ướt đây pha dính ướt ra khỏi môi trường rỗng Quá trình này mô tả lại sự di cư của dầu vào trong vỉa chứa dựa
trên giả thuyết sau lúc đầu lỗ rỗng trong vỉa được lấp đầy bởi nước, sau đó dầu được tạo thành và di cư vào lỗ rỗng đây nước ra ngồi Đề mơ tả lại cơ chế này trong phòng thí
nghiệm, sau khi gia công mẫu lõi sẽ được bão hòa với nước, sau đó bơm dau vao day nƯỚC Ta
c) Qué trinh hap thu (imbibition process) [9]
Quá trình này được định nghĩa là quá trình mà pha dính ướt đây pha không dính ướt ra khỏi môi trường rỗng Quá trình này mô tả lại quá trình bơm ép nước để thu hồi dầu trong thực tế Trong quá trình này, độ bão hòa của nước ngày càng tăng và độ bão hòa của dầu ngày càng giảm cho đến khi đạt độ bão hòa dầu dư
Trang 29
đ) Đồ bão hòa tới hạn và độ bão hòa đư [9]
Hai thông số quan trọng trong hai quá trình trên là độ bão hòa tới hạn và độ bão hòa dư
Về mặt giá trị, độ bão hòa tới hạn và độ bão hòa dư của một chất lưu xấp xỉ nhau Tuy
nhiên, hai giá trị này có ý nghĩa hoàn toàn khác nhau Độ bão hòa tới hạn là giá trị mà tại đó chất lưu bắt đầu trở nên linh động và tạo thành dòng chảy, nghĩa là được xác định theo hướng gia tăng độ bão hòa Ngược lại, độ bão hòa dư được định nghĩa là khi bơm ép một chất lưu khác, giá tr mà tại đó dòng chảy của lưu chất không còn liên tục được nữa và phải ngừng lại là độ bão hòa dư của chất lưu đó, nghĩa là được xác định theo hướng suy giảm độ bão hòa
e) Đường cong độ thấm tương đổi [9]
Đường cong độ thấm tương đối là đường biểu diễn độ thâm tương đối của dầu và nước
Trang 30LUẬN VĂN THẠC SĨ
Từ đường cong độ thấm tương đối ta có thể xác định được tính dính ướt của đá vỉa là
dính ướt dầu hay dính ướt nước:
e_ Đối với đá dính ướt nước:
+ Tai giao điểm của hai đường cong, độ bão hòa nước lớn hon 0,5 + Tại độ bão hòa nước cực đại, độ tham tương đối của nước nhỏ hơn 0,3 + Độ bão hòa nước tới hạn lớn hơn 0,25
e_ Đối với đá dính ướt dầu:
+ Tại giao điểm của hai đường cong, độ bão hòa nước nhỏ hơn 0,5 + Tại độ bão hòa nước cực đại, độ tham tương đối của nước lớn hơn 0,5 + Độ bão hòa nước tới hạn nhỏ hơn 0,15
140 10
= » Water flows more freely
5 + Higher residual oil saturation 6 08 + © 08+ ứ ra š 0.6 - s 08 + a = Ề : Oil Water 04 04 & a : > = 0.2 - 3 02 s s =- 0 1 I = - L | | 9 20 40 60 eo 100 Q 20 40 sọ 80 100
Water Saturation 4% PV) Water Saturation (% PV)
Strongly Water-Wet Rock Strongly Oil-Wet Rock
Hinh 1.5 Đường cong độ thấm tương đối minh họa cho đá dính ướt dầu và nước[9]
1.2 Cơ chế tác động của phương pháp LSW
Từ các quan sát trong phòng thí nghiệm, nhiêu tác giả đã kết luận 3 cơ chế chính của phương pháp LSW: sự trao đối ion đa thành phần, hiệu ứng hai lớp, sự gia tăng pH Ngoài 3 cơ chế trên, cơ chế di cư hạn mịn cũng được cho là giúp gia tăng hệ số thu hồi dâu trong một số trường hợp, nhưng không phải cơ chế chính của phương pháp LSW
Trang 31
1.2.1 Trao đổi ion da thanh phan (MIE)
Thanh phan phân cực trong dầu thô tồn tại đưới dạng axit và bazơ, nên có thể hấp thụ
trên bề mặt sét theo hai kiểu liên kết:
e_ Phức hợp kim loại — hữu cơ (organo — metal complex): thành phân tích điện âm
trong pha dầu (mang tính axit) liên kết với bề mặt sét tích điện âm vĩnh viễn thông qua câu nối là các cation hóa trị I (Ca?! và Mg?*) hình thành nên các phức hop
kim loại — hữu cơ và làm tăng tính dính ướt dầu thô lên bê mặt đá vỉa
e Hop chat hitu co phan cuc (polar organic compound): thanh phan tich dién duong trong pha dau (mang tinh bazo) bi hap thu trực tiếp lên bê mặt khoáng vật sét, thế chỗ cho các cation dương không bên nhất hiện diện trên bê mặt sét, dẫn đến sự
gia tăng tính đính ướt dầu thô lên bề mặt đá via i ROR \ | N H Me | aan - Ø Ca Xá HR—t Cart | Mo? O 0 0 0- [ear] ao | CUO
Catan exchange Cation bridging = Ligand bridging «Water badging
Hình 1.6 Các dạng liên kết giữa thành phan phan cuc trong dau thé va bé mat sét[9] Sposito (1989)[9] đề xuất 8 cơ chế hấp thụ các nhóm hợp chất hữu cơ lên bề mặt sét như bảng 1.2
Trang 32LUẬN VĂN THẠC SĨ Bang 1.2 Cac co ché hap thu cua hop chat hitu co lén bé mat khodng vat sét[9]
Lager et al (2006)[9] da tién hanh thi nghiệm trên mẫu lõi và đề xuất rằng khi bom LSW,
quá trình trao đối ion đa thành phần diễn ra kéo theo hiện tượng giải hấp thụ của các cation hóa trị II như Ca? và Mg”*, phá vỡ liên kết giữa dầu thô và bề mặt sét tích điện
âm vĩnh viễn, các phức hợp kim loại-hữu cơ sẽ được giải phóng khỏi bề mặt sét, gia tăng
hệ số thu hồi dầu Do đó, trong cơ chế này sự có mặt của cation Mg?* và Ca?' đóng vai
trò quan trọng
Khi mẫu lõi đã qua xử lý nhiệt hoặc xử lý axit, khả năng trao đối ion của khoáng vật sét không còn nữa, nên LSW không thể áp dụng cho các mẫu lõi đã qua xử lý nhiệt hoặc xử
lý axit Điều này cũng giải thích lý do tại sao bơm ép nước có nồng độ muối thấp ít hiệu
quá trên dầu khoáng, bởi vì không còn sự hiện diện của thành phan phân cực trong dầu đê xảy ra phản ứng với khoáng vật sét
Trang 33
Initial Condition LSW Flooding Final Situation , - % ° - — OH _ ~ O-H £ Ca?* Caz wt {car H _« «lay - » clay - clay
Hinh 1.7 Qué trinh trao déi ion da thanh phan (MIE) [9] 1.2.2 Hiéu ung hai lop (Double-layer effect)
Lighthelm (2009)[9] dé xuat rang sự giãn nở của cặp lớp tích điện bao quanh khoáng vật
sét là nguyên nhân chính làm thay đôi tính dính ướt của đá Tác giả cho rằng, khi một
hạt sét tích điện âm có mặt trong vỉa chứa dâu và bị ngâm trong nước, một cặp lớp tích điện sẽ hình thành và bao xung quanh hạt sét Lớp bên trong bao gồm các ion đương gọi là “stern layer” đóng vai trò là bộ phận gắn kết giữa khoáng vật sét và các giọt dầu, và lớp khuyếch tán bên ngoài tích điện âm (outer diffuse layer) Bề dày của hai lớp này phụ thuộc chủ yếu vào nông độ cation của nước bao xung quanh lớp sét Trong môi trường nước có nồng độ muối cao, hai lớp điện tích này có xu hướng nén chặt hơn, làm dầu bám chặt trên bê mặt sét Tuy nhiên, khi bơm ép LSW, khoảng cách giữa hai lớp điện tích này sẽ tăng lên, tạo điều kiện cho các cation hóa trị I trong nước bơm ép tham gia vào
cặp lớp tích điện, đây các cation hóa trị II ra khỏi liên kết Khi đó, lực đây giữa bề mặt sét và dầu tăng lên, lớn hơn lực gắn kết giữa bề mặt sét và phức hợp hữu cơ-kim loại, từ đó dầu sẽ được giải phóng khỏi bề mặt sét và di chuyển dễ dàng hơn trong môi trường
rỗng, giúp thu hồi thêm được lượng dâu dư còn sót lại trong lòng đất Nhìn chung, cơ chế này gần giống với cơ chế trao đôi ion đa thành phan (MIE)
Trang 34LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hình 1.8 Quá trình hoạt động của cơ chế hiệu ứng hai lớp[9] Ái lực giữa các cation va bề mặt sét (IDE, 1989) được thể hiện như sau:
Lit < Na! < K† < Mg”! < Ca”' <Sr?'! < Ba”! < H:
Nghĩa là cùng một nồng độ, Ca2+ sẽ dễ dàng đây Na+ ra khỏi bề mặt khoáng vật sét
Tuy nhiên, khi nồng độ của Na+ đủ lớn, Na+ có thê đây Ca2+ ra khỏi bề mặt sét
1.2.3 Sự gia tăng độ pH
Austad (2010)[9] dé xuat rang tai diéu kién via, giá tr độ pH của nước thành hệ sẽ dao động xung quanh giá trị 5 do có sự hòa tan của các khí mang tính axit như CO: và HaS Tại giá trị pH này, khoáng vật sét trong via sẽ đóng vai trò là vật liệu trao đối cation, hap thụ các thành phần phân cực có trong dầu thô cũng như cation Ca?! trong nước vỉa Khi
tién hanh LSW, cation Ca?” sẽ bị H* chiếm chỗ và giải phóng khỏi bề mặt khoáng vật
sét, làm cho độ pH giữa bề mặt lớp sét và nước bơm ép tăng lên
McGuire (2005)[9] cho rang su gia tăng độ pH của nước vỉa sau khi bơm ép là cơ chế chính của LSW, làm giảm sức căng bê mặt (IFT) giữa dầu và nước, tác dụng tương tự như bơm ép alkaline Tác giả quan sát thí nhiệm và nhận thấy nước vỉa có nông độ muối ban đầu là 15000 ppm, sau khi bơm ép nước có nông độ muối 150 ppm, lượng dầu thu
hồi tăng từ 56% lên 73% Điều này được lý giải là do phản ứng giữa OH' với khoáng vật
sét ton tai trong via
Trang 35
Nguyên nhân làm gia tăng pH được mô tả trong các phản ứng hóa học sau: Clay-Ca”” + H;O = Clay-H” + Ca” + OH
Clay-NHR;+ + OH = Clay + R.N + H,O Clay-RCOOH + OH = Clay + RCOO’ +H,0
Ngoài ra, sự hòa tan carbonate có sẵn trong đá cũng dẫn tới sự gia tăng pH Tuy nhiên, cơ chế này phụ thuộc vào hàm lượng carbonate có trong đá
CaCO3 <> Ca** + CO3” COz + HạO c› HCO; + OH-
Tuy nhiên, trong một số thí nghiệm, pH hầu như không đổi khi LSW được bơm vào môi
trường gần trung tính (Larger et al 2005, Rivet 2009, EeJelde et al 2012)[9] Hơn nữa,
Suijkerbuijk et al (2012)[9] cũng quan sát thấy lượng dâu thu hồi gia tăng nhưng độ pH giảm khá mạnh trong các thí nghiệm bơm LSW trên mẫu lõi Do đó, Suijkerbuijk et al
(2012)[9] cho rằng sự gia tăng pH không phải là cơ chế tác động chính mà chỉ là kết quả
của quá trình bơm LSW Tuy nhiên, pH có thê ảnh hưởng đến sự hấp phụ/ giải phóng
các hợp chất carboxylic (COOH-) đối với khoáng vật sét
s* Su di cu cua cdc hat min
Ngoài 3 cơ chế trên, một số tác giả cho rằng sự di cư của các hạt mịn có thê gia tăng hệ số thu hồi dầu trong một vài trường hợp nhưng không phải là cơ chế chính của phương pháp
Bernard (1967)[9] cho rằng khi sét gặp nước ngọt hoặc nước chứa rất ít muối, sét có xu hướng hydrat hóa và bắt đầu trương nở, tác động đến sự phân tán của sét và bột trong thành hệ Các hạt sét và bột trở nên linh động hơn và di chuyên theo dòng chảy của nước Trong quá trình di chuyển, các hạt sét và bột này gặp những kênh dẫn có kích thước nhỏ
nên bị kẹt lại và bịt kín các kênh dẫn này, nước buộc phải dịch chuyển theo một hướng
Trang 36
LUẬN VĂN THẠC SĨ
khác và quét qua những vùng chưa được quét tới, kết quả là cải thiện hệ số quét cục bộ (microscopIc swept efficlency) Một phát hiện quan trọng khác từ những nghiên cứu của
Jones (1994)[9] cho thay néu thanh phan Calcium và Magnesium trong thành hệ và nước
bơm ép ít có thể ngăn chặn đáng kế hiện tượng clay blocking Từ đó, tác giả kết luận răng, sự suy giảm vê độ mặn của nước bơm ép có thê ngăn chặn sự suy giảm độ thâm (permeability damage) So) _ ol 1> `: = — : we, _ oR —_ => CaN ER Oe LO tae c Qe kD
Hình 1.9 Su di cu cua cdc hat min[9]
Tang va Morrow (1999)[9] quan sat trong nhiều mẫu lõi cát kết khác loại và nhận thay khi những hạt mịn (chủ yếu là khoáng vật sét Kaolinite) được tách ra khỏi bề mặt đá, có một sự gia tăng hệ số thu hồi dầu đồng thời với sự suy giảm nồng độ muối của nước bơm ép Zhang và Morrow (2006)[9] cũng đã tiễn hành thí nghiệm trên mẫu lõi cát kết Berea
(có hàm lượng sét kaolinite và quartz chiễm ưu thế) với ba loại mẫu dầu thô khác nhau,
kết hợp với các thí nghiệm SWCTTT, tác giả nhận thấy khi hàm lượng kaolinite tăng thì lượng dầu thu hồi được cũng tăng theo, từ đó tác giả kết luận thành phân khoáng vật sét giữ một vai trò quan trọng trong việc cải thiện hệ số thu hồi dầu bằng phương pháp LSW Ngoai ra, Morrow et al (1998)[9] phát hiện ra rằng khi hàm lượng ion của cả nước bơm
ép hay nước đồng sinh biến đôi cũng ảnh hưởng đến việc thu hồi dầu Chính vì thế, thành
phân hóa học của nước bơm ép khá quan trọng Trong một số thí nghiệm, sử dụng nước đây là nước giàu hàm lượng các ion hóa trị II đã dẫn đến việc ngưng lại quá trình khai
thác
Trang 37
Tuy nhiên có một số giả thuyết cho rằng không có mối liên hệ nào giữa sự di cư của các
hạt mịn và việc cải thiện hệ số thu hồi dâu Cụ thê, Rivet (2009)[9] và các nhà nghiên
cuu tai BP (Larger et al 2007, 2008a, 2008b; Webb et al 2004, 2005, 2008; McGuire et
al 2005; Jerauld et al 2008)[9] da tién hanh rat nhiéu thi nghiém va quan sat thay luong
dâu thu hồi tăng lên nhưng không quan sát thấy sự di cư của các hạt mịn Một số thí nghiệm khác lại quan sát thấy có một lượng lớn các hạt mịn trong dòng chảy của sản phẩm, nhưng hệ số thu hồi không tăng Sự khác biệt giữa thành phần nước bơm ép, thạch
học và thành phần khoáng vật của mẫu lõi có thê giải thích cho kết quả khác biệt giữa các thí nghiệm của Morrow và các nhà nghiên cứu tại BP Cụ thê, là sự có mặt của thành
phần khoáng vật sét Kaolinite Vì vậy, có thể kết luận rằng sự di cư của các hạt mịn có
thé gia tăng hệ số thu hôi dâu trong một vài trường hợp nhưng không phải là cơ chế chính của phương pháp
1.3 Ảnh hưởng của môi trường
Từ kết quả thí nghiệm trên mẫu lõi và trong pham vi mo, Tang va Morrow (1999)[9];
Larger et al (Larger et el 2007, Larger et al 2008a)[9] da két luận rằng phương pháp LSW mang lại hiệu quả rõ rệt nhất khi được áp dụng trong môi trường đá vỉa dính ướt
dầu hoặc có tính dính ướt hỗn hợp Ngược lại, hiệu quả của LSW không đáng kế nếu
được áp dụng trong vỉa có tính dính ướt nước mạnh Ông đã chỉ ra rằng có một mối liên
hệ mạnh mẽ giữa việc gia tăng hệ số thu hồi dầu và thành phần khoáng vật sét có mặt
trong đá, sự vắng mặt của các khoáng vật này làm giảm tác động của cơ chế trao đôi ion, được xem là một trong những cơ chế chính của LSW
Tóm lại, một số điêu kiện môi trường ảnh hưởng đến hiệu quả của phương pháp LSW:
e_ Tính chất đá vỉa: hầu hết các thí nghiệm đều cho thấy cát kết chứa sét là đối
tượng tác động chủ yếu của LSW Hiện nay chưa có ghi chép nào về ảnh hưởng của phương pháp này trên đá carbonate tinh khiết, nhưng Pu (2008) đã quan sát thấy tác động của LSW trên cát kết có chứa khoáng vật dolomite Do
Trang 38
LUẬN VĂN THẠC SĨ
cơ chế MIE, nên sự có mặt của khoáng vật sét trong cát kết và tính chất của
sét đóng vai trò quan trọng trong trường hợp này Theo Austad et al trong 4
loai sét co ban (kaolinite, illite, smectite va chlorite) thi LSW ít có hiệu quả
v6i sét Kaolinite nhất do khả năng trao đôi ion của Kaolinite thấp Hàm lượng sét trong đá vỉa càng cao càng thuận lợi đê bơm ép LSW
Tính chất dầu thô: dầu thô là một hỗn hợp phức tạp của các hydrocarbon và thành phân phân cực như nitrogen, sulphur và oxygen Sự hấp thụ và giải phóng các thành phần phân cực này làm thay đổi tính dính ướt của đá via
Hiện tại vẫn chưa quan sát thấy ảnh hưởng của LSW trên dầu khoáng (refined oil)
Tính chất nước thành hệ: nước thành hệ cũng là một yếu tố quan trọng Sự có mặt của các cation hóa trị II như Ca2*, Mg?* cũng ảnh hưởng đến kết quả thu
được Ngoài ra, nồng độ muối và độ pH của nước thành hệ cũng ảnh hưởng đáng kề đến điện tích giữa bề mặt đá và chất lưu
Tính chât nước bơm ép: nông độ muôi lý tưởng của nước bơm ép có gia tri tr
1000-7000 ppm
Nước khai thác: trong trường hợp không sử dụng dung dịch đệm, khi bơm ép nước có nồng độ muối thấp, độ pH của nước khai thác thường tăng từ 1-3 đơn vị Hiện tại, mối quan hệ giữa sự gia tăng độ pH và hiệu quả của LSW vẫn chưa được xác nhận Trong một số trường hợp, sự thay đổi độ pH mang ý nghĩa đã có tương tác hóa học giữa nước bơm ép hoặc là giữa đất đá với nước đồng sinh
Nhiệt độ: Hâu như không có giới hạn nhiệt độ nào cho phương pháp bơm ép nước có nông độ muôi thâp Tuy nhiên hâu hêt các nghiên cứu đêu chi ra rang
nhiệt độ thích hợp nhất đề thực hiện LSW phải dưới 100°C
Trang 39
CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH LSW CHO MỎ X
Trên cơ sở lý thuyết đã được trình bày ở mục 1.2 chương 1, chương này tập trung trình
bày việc mô hình hóa 3 cơ chế tác động chính của LSW Cụ thẻ, là hai cơ chế trao đôi ion đa thành phần (MIE) và hiệu ứng hai lớp đã phá vỡ liên kết hóa học giữa dầu thô và
bề mặt sét của đá vỉa, làm cho pha dầu di chuyên dễ dàng hơn, giúp thu hồi thêm được
lượng dầu dư còn sót lại Kết quả là độ bão hòa dầu đư (Sor) giảm và độ thắm tương đối
của dâu (Kro) tăng Hơn nữa, trong quá trình giải phóng dầu, một phần nước bơm ép sẽ tạo liên kết với đá vỉa thông qua cơ chế trao đối ion giữa nước và sét, làm chậm quá trình di chuyên của pha nước Kết quả là độ bão hòa nước tới hạn (Swcr) tăng và độ thấm tương đối của nước (Krw) giảm Mặt khác, cơ chế thứ ba gia tăng độ pH sẽ làm giảm sức căng bê mặt giữa dâu và nước, kêt quả là làm giảm áp suât mao dân
Như vậy, việc mô hình hóa quá trình LSW được thực hiện trên nguyên tắc mô tả ảnh
hưởng tong hop 3 co ché tac động chính của LSW đến độ bão hòa nước tới hạn, độ bão hòa dầu dư, độ thấm tương đối của dầu và nước, áp suất mao dẫn Hay nói khác đi, việc mô hình hóa quá trình này được thê hiện qua việc hiệu chỉnh đường cong độ thăm tương đối (Kr) và đường cong áp suất mao dẫn (Pc) Trong đó, đường Kr được hiệu chỉnh theo cả theo phương ngang (Swcr, Sor) lẫn phương dọc (Krw, Kro) dựa trên nghiên cứu của
Jerauld et al (2008)[9] theo các giả thuyết sau: (a) muối là thành phần chất tan duy nhất
có trong pha nước; (b) độ thấm tương đối và áp suất mao dẫn giữa dầu và nước là một hàm phụ thuộc vào nồng độ muối; (c) độ thắm tương đối của pha khí và áp suất mao dan giữa 2 pha dầu-khí hoàn toàn độc lập với nồng độ muối
Quá trình mô hình hóa sẽ bao gồm 4 bước chính sau: e Thu thập số liệu đầu vào
e_ Mô hình hóa cơ chế MIE và hiệu ứng hai lớp
e_ Mô hình hóa cơ chế gia tăng pH
e Kết luận
Trang 40
LUẬN VĂN THẠC SĨ
2.1 Thu thập số liệu đầu vào
Kết quả mô hình hóa 3 cơ chế chính của LSW sẽ được áp dụng để mô phỏng quá trình
thu hồi dầu bằng phương pháp LSW trong mỏ X bằng phần mềm Eclipse 100 (2011.1)
Do đó, thông số đầu vào cần có đề thực hiện việc mô hình hóa gom: độ thắm tương đối
của dầu và nước, độ bão hòa dầu dư, độ bão hòa nước tới hạn, áp suất mao dẫn từ thí
nghiệm mẫu lõi đặc biệt (SCAL)
Từ thí nghiệm thu được độ thâm pha và độ bão hòa của dầu và nước trong các trường hợp bơm ép nước biên (HSW) và nước có nông độ muối thấp (LSW), làm cơ sở cho việc tính toán hệ số F1 đề hiệu chỉnh đường cong độ thâm tương đối khi nồng độ muối thay
đổi (bảng 2.1, 2.2, 2.3, 2.4)
Từ thí nghiệm màn bán thấm, quay li tâm thu được áp suất mao dẫn của dâu trong các trường hợp bơm ép nước biên (HSW) và nước có nồng độ muối thấp (LSW), làm cơ sở cho việc tính toán hệ số F2 đề hiệu chỉnh đường cong áp suất mao dẫn khi nồng độ
muối thay đổi (bảng 2.5)