Giản đồ cơ chế q trình bay hơi khí

Nếu như khí hoàn toàn là khí hydrocarbon nhẹ như trong trường hợp bơm ép khí tự nhiên methane như trường hợp Hình 1.10. Quá trình trộn lẫn không diễn ra

ngay từ lần tiếp xúc đầu tiên do đường hòa tan của khí với dầu vỉa ở lần tiếp xúc đầu tiên tại điểm M1 nằm trong vùng hai pha với thành phần pha khí tương ứng G1 và lỏng L1 tương ứng với đường kết nối qua điểm M1. Khí G1 linh động hơn L1 lúc này đã giàu hơn thành phần trung gian và di chuyển tới lần tiếp xúc thứ hai với dầu vỉa tại M2 với thành phần khí và lỏng tương ứng G2 và L2. Quá trình tiếp xúc của pha khí G2 tiếp tục diễn ra ở các lần tiếp xúc tiếp theo ở M3 và xa hơn nữa…cho đến lần tiếp xúc ći cùng đường hịa tan khí với dầu vỉa trở thành tiếp tuyến với đường tới hạn khơng cịn cắt vùng hai pha và quá trình trộn lẫn hoàn toàn diễn ra sau nhiều lần tiếp xúc. Quá trình đẩy dầu sẽ đạt trộn lẫn hoàn toàn ngay từ tiếp xúc đầu tiên nếu thành phần khí ngay từ đầu có thành phần trung gian tương ứng ít nhất ở điểm G3. Do trong quá trình này các thành phần trung gian được bay hơi từ dầu vỉa vào khí nên quá trình này được gọi là trộn lẫn bay hơi (vaporizing drive) [103]. Tại lần tiếp xúc đầu tiên thành phần M1 cho thành phần pha khí ở G1 và pha lỏng ở L1 (Hình 1.11). Giống như trước khí G1 tiếp tục di chuyển cho lần tiếp xúc tiếp theo với dầu vỉa còn lỏng L1 tiếp xúc với khí mới ở M2. Lỏng L2 lúc này đã giàu thành phần trung gian hơn so với L1 lại tiếp xúc với khí cho các lần tiếp xúc sau cho đến khi đường trộn lẫn pha lỏng khí chỉ còn tạo một pha trộn lẫn đồng nhất. Vùng trộn lẫn ở đằng trước là quá trình chưa hòa tan của khí với dầu vỉa G1, G2… (cũng giống như vùng trộn lẫn phía sau của lỏng với khí ở trường hợp cơ chế khí bay hơi ở trên). Quá trình trộn lẫn lúc này được gọi là cơ chế trộn lẫn ngưng tụ (condensing gas drive).

Hình 1.12 biểu diễn quá trình đẩy dầu không trộn lẫn. Trong trường hợp khi thành phần khí và dầu vỉa nằm ở vùng đơn pha nhưng đều cùng ở một phía so với đường kết nối tới hạn. Lần tiếp xúc đầu tiên M1 với khí G1 đi lên trước cho tiếp xúc M2 và cứ thế. Tại các tiếp xúc phía trước khí được làm giàu với các thành phần trung bình tại phía trước mỗi lần khí tiếp xúc với dầu vỉa giống như trường hợp cơ chế khí bay hơi. Tuy nhiên quá trình này luôn nằm dưới đường giới hạn tại điểm liên kết, không vượt qua được thành phần hai pha. Tại tiếp xúc phía sau lỏng L1 trộn lẫn với khí tạo hỗn hợp M1 giống như trường hợp ngưng tụ. Quá trình khí đẩy hỗn hợp 2 pha diễn ra không trộn lẫn. Pha lỏng tiếp tục tiếp xúc với khí bơm vào và mất dần các thành phần trung bình (L1, L2 và tiếp theo) cho đến khi gặp đường đặc trưng tới hạn. Các thành phần trung bình được làm giàu trong pha khí ở vùng gần giếng khai thác và trong pha lỏng tại vùng bơm ép [57]. Quá trình này luôn là quá trình không trộn lẫn trong quá trình bơm ép khí.

Hình 1.12: Giản đồ pha của q trình khơng trộn lẫn

Qua đó nếu đường trộn lẫn không cắt vùng hai pha (I2-J3) ta có trộn lẫn ở ngay lần tiếp xúc đầu tiên. Nếu đường trộn lẫn hoàn toàn nằm ở một phía vùng hai pha so với đường kết nối tới hạn (I1-J1) ta có quá trình không trộn lẫn. Nếu hai điểm ban đầu khí và dầu vỉa nằm đối diện hai phía so với đường kết nối tới hạn thì ta có quá trình trộn lẫn theo cơ chế khí bay hơi - vaporizing gas (I2-J1) hoặc khí ngưng tụ - condensing gas (I1-J2). Hai quá trình cuối diễn ra sau nhiều lần tiếp xúc. Quá trình

đẩy dầu không trộn lẫn diễn ra khá giống với quá trình trộn lẫn bởi cơ chế khí bay hơi tuy nhiên hiệu quả đẩy dầu (thu hồi dầu) thấp hơn nhiều [107]. Hiệu quả đẩy dầu ở cơ chế khí bay hơi lại thấp hơn so với cơ chế trộn lẫn tiếp xúc một lần.

Hình 1.13 Tổng hợp q trình trộn lẫn và khơng trộn lẫn

Dù hạn chế so với cơ chế trộn lẫn cơ chế đẩy dầu không trộn lẫn khi bơm khí (CO2) vẫn có những ưu thế gia tăng thu hồi dầu nhất định so với bơm ép thông dụng (nước) nhờ vào các yếu tố tích cực sau: áp suất bơm không cần cao và giá thành khí (CO2) thấp. Cơ chế tăng thu hồi dầu lúc này nhờ vào các yếu tố: bay hơi và ngưng tụ một phần khí; giảm độ nhớt dầu vỉa; tăng lượng khí hòa tan khi áp suất vỉa giảm; giảm sức căng giữa pha. Hiệu quả các yếu tố này thể hiện qua: độ hòa tan của CO2 trong dầu theo áp suất; hệ sớ trương nở thể tích dầu khi CO2 hịa tan thêm vào trong dầu; và giảm độ nhớt dầu vỉa khi có thêm CO2 hòa tan.

1.5.3. Các phương pháp và hạn chế của việc xác định áp suất trộn lẫn tối thiểu

Các phương pháp để xác định MMP trên thế giới được chia thành hai loại chính: (1) xác định MMP bằng phương pháp thực nghiệm Slimtube trong phịng thí nghiệm dựa trên hệ sớ thu hồi thông qua bơm ép; (2) xác định MMP bằng các phần mềm mơ phỏng tính tốn. Ví dụ các nghiên cứu thí nghiệm Slimtube [19], thuật toán tính tốn đa ơ ([20], 1922), thuật tốn một ơ tiến và lùi [58], mô phỏng số thành phần kiểu Slimtube và phương pháp phân tích dựa trên phương pháp đặc tính [28,83]. Có thể sử dụng thiết bị tăng điểm bọt làm phương pháp thay thế cho slimtube. Tuy nhiên,

các phương pháp này đều có nhược điểm nên một số nhà nghiên cứu [99,98] nghi ngờ về khả năng xác định MMP của cơ chế ngưng tụ/hóa hơi.

Thí nghiệm Slimtube được coi là phương pháp xác MMP một cách chính xác nếu được thiết kế, thực hiện và diễn giải đúng. Phương pháp này thường tốn kém và mất thời gian. Thay vào đó, mô phỏng số loại 1D Slimtube có thể được sử dụng để đánh giá MMP hoặc MME. Phương pháp này thường nhanh hơn nhưng địi hỏi mơ hình phương trình trạng thái (EOS) được điều chỉnh đúng có khả năng mô hình hóa hành vi của pha, chẳng hạn như kiểm tra độ trương nở, thí nghiệm tiếp xúc trước hoặc tiếp xúc sau thí nghiệm MMP. Trong nghiên cứu này, các giá trị MMP được tính tốn bằng chương trình PVT hoặc mơ phỏng số 1D bằng mô hình EOS được điều chỉnh.

Một vấn đề hạn chế của mô phỏng số 1D để xác định MMP là sự trộn lẫn số học, có thể ảnh hưởng mạnh đến sự khả năng trộn lẫn, thu hồi dầu và ước tính MMP. Đối với các quá trình ngưng tụ khí nói riêng, một số lượng lớn các hệ thống lưới thường được sử dụng để có thể ngoại suy cho kết quả không trộn lẫn [15]. Cơ chế C/V có thể không chính xác nếu có quá ít ô lưới trong các mô phỏng và MMP có thể bị sai số nhiều.

MMP không trộn lẫn là một tính chất nhiệt động của vỉa chứa dầu đối với khí bơm ép cụ thể ở nhiệt độ vỉa chứa và không phụ thuộc vào các thông số như tính linh động của chất lưu. Trong chương này, MMP đề cập đến là MMP không trộn lẫn. Khi xét cả tính trộn lẫn, nghiên cứu sinh thấy rằng MMP cũng bị ảnh hưởng bởi độ bão hịa dầu trước khi bơm khí. Mơ phỏng, được thực hiện ở áp suất đẩy bằng MMP không trộn lẫn, cho thấy rằng khi độ bão hòa dầu trước khi bơm khí quá thấp và được trộn lẫn vật lý, cơ chế C/V có thể không bao giờ phát triển trong quá trình đẩy dầu.

1.5.4. Các yếu tố ảnh hưởng và thuật tốn sử dụng cho mơ hình mơ phỏng cơ chế bơm ép khí

theo độ sâu có thể được tính bằng cách kết hợp các phép tính đẳng nhiệt tỷ trọng/cân bằng hóa học (GCE) và thuật toán MMP (ví dụ: thuật tốn đa dịng Zick [103]). Đới với chất lưu ở độ sâu nhất định, theo các gradient thành phần (điều kiện đẳng nhiệt) có thể tính toán được thành phần các cấu tử và áp suất bão hòa của chất lưu. Thuật toán MMP sau đó sử dụng thành phần được tính toán và xác định MMP cho một lượng khí bơm ép nhất định ở nhiệt độ vỉa chứa. Các tính toán này được lặp lại cho một loạt các chất lưu ở các độ sâu khác nhau và khí bơm ép khác nhau, tạo ra một sơ đồ tính MMP theo độ sâu.

Hình 1.14: VGD MMP so theo độ sâu của khí bơm ép C1N2

Hình 1.15 cho thấy kết quả tính tốn MMP đới với khí bơm ép khô C1N2. Đối với khí bơm ép này, khả năng trộn lẫn được phát triển theo cơ chế truyền động khí hóa hơi (VGD) tinh khiết ở mọi độ sâu [107]. Hình 1.15 cho thấy các giá trị MMP được tính tốn cho hệ thớng chất lưu được sử dụng trong nghiên cứu này sử dụng khí đồng hành. Một cơ chế ngưng tụ/bay hơi bắt đầu phát triển cho một vỉa chứa khí ở độ sâu -3.810m. C/V MMP cho khí phân tách tăng dần theo độ sâu trong vùng dầu. Nếu khí bơm ép được làm giàu thêm, cơ chế VGD có thể biến mất và chỉ có cơ chế C/V cho tất cả các chất lưu. Đối với một hệ thớng dầu-khí chưa bão hịa được dự đốn với mơ hình GCE đẳng nhiệt, người ta thấy rằng đây là đặc trưng cho sự thay đổi MMP theo độ sâu [17].

Hình 1.15: MMP theo độ sâu của khí tách từ bình tách (SepGas) được tính tốn bằng trình PVT dựa trên nền tảng EOS

1.5.4.2. Chất lưu vỉa và mơ hình mơ phỏng

MMP và độ linh động của chất lưu vỉa sau khi bơm ép khí trộn lẫn/gần trộn lẫn vào vỉa đều phụ thuộc vào hệ chất lưu vỉa. Hệ hydrocarbon vỉa có thành phần nhẹ lớn thì khả năng trộn lẫn với các khí bơm ép như khí khô sẽ lớn hơn [23]. Hoặc khi bơm ép khí trộn lẫn có tỷ lệ hydrocarbon nặng cao thì điểm MMP trong vỉa sẽ thấp hơn khi bơm ép khí trộn lẫn/gần trộn lẫn có tỷ lệ hydrocarbon nhẹ cao. Nên việc chính xác thành phần và mô hình hóa chất lưu vỉa hết sức quan trọng trong việc xác định điểm MMP và nghiên cứu hiệu quả của quá trình bơm ép khí vào vỉa.

Mô hình chất lưu của vỉa chứa được sử dụng trong nghiên cứu thông thường là Perg Robinson và Soave-Redlich-Kwong (SRK) [97], mô hình độ nhớt sử dụng Lohrenz-Bray-Clark (LBC) [97]. Số liệu PVT chủ yếu từ các thí nghiệm tiến hành với các điều kiện P, V, T với dầu và khí vỉa, bao gồm độ nhớt, quá trình tách nhiều giai đoạn tại các điều kiện tương đương bình tách của hệ thống khai thác thông thường, các kết quả xác định MMP từ thực nghiệm. Mô hình EOS thành phần được hình thành ít cấu từ hơn phụ thuộc vào khả năng xử lý của máy tính và chất lưu mỏ. Thuật toán này sử dụng theo Hearn và Whitson đưa ra [34]. Kết quả của mô hình EOS 9 thành phần đã mô tả đầy đủ về tất cả các dữ liệu PVT quan trọng, bao gồm loại bão hòa và vi thể tích trong khu vực gần tới hạn.

1.5.4.3. Thành phần khí bơm ép

Thành phần các khí bơm ép khác nhau có thể dẫn đến các giá trị MMP cho vỉa có giá trị áp suất khác nhau và các cơ chế có thể trộn lẫn/gần trộn lẫn cũng khác nhau đối với hệ thớng chất lưu vỉa.

1.5.4.4. Mơ hình đợ thấm tương đới

Hình 1.16 cho thấy một tập hợp các đường cong tính thấm tương đối bất biến được sử dụng trong các mô phỏng. Ở điều kiện gần trộn lẫn, sức căng bề mặt khí- dầu được dự kiến sẽ ở mức thấp trong khu vực hai pha [99]. Để đánh giá ảnh hưởng của sức căng bề mặt đối với việc thu hồi dầu, hệ các đường cong thấm pha sẽ được áp dụng. Các tính toán cho hệ các đường cong thấm pha sẽ thay đổi IFT giữa các pha và độ nhớt của hệ chất lưu khi xẩy ra quá trình trộn lẫn. Các hệ chất lưu bơm ép có thành phần khác nhau có thể dẫn đến MMP thực nghiệm/tính toán trên cùng một chất lưu vỉa có các giá trị khác nhau và các cơ chế trộn lẫn khác nhau đối với mỏ dầu khí [111].

Hình 1.16: Đường cong thấm pha của hệ chất lưu

1.5.4.5. Áp suất mô phỏng

Phần này áp dụng để mô phỏng 1-D cho mô hình slimtube và mô hình 3-D cho mô hình thủy động lực học toàn mỏ. Để đảm bảo áp suất đạt các giá trị trộn lẫn/gần trộn lẫn thì việc mô phỏng bơm ép khí phải đạt được trong các giá trị áp suất.

Xác định giá trị MMP cho các loại khí bơm ép khác nhau và ảnh hưởng của các yếu tố đến khả năng thu hồi dầu được mô phỏng dưới điều kiện áp suất vỉa và các giá trị áp suất toàn bộ hệ thống thiết bị, mô hình slimtube và mô hình toàn mỏ.

Điều kiện đảm bảo áp suất trên giá trị MMP là cách đánh giá quá trình bơm ép khí có trộn lẫn/gần trộn lẫn hay không trộn lẫn cho các điều kiện áp suất của vỉa chứa [45]. Khi trên hoặc bằng áp suất MMP thì điểm tiếp xúc đầu tiên của chất lưu sẽ được bảo tồn và điều này sẽ dẫn đến hiệu quả thu hồi dầu trộn lẫn (gần 100%) cho quá trình mô phỏng 1D để xác định điểm MMP.

Hình 1.17: Hiệu suất thu hồi dầu cho mơ hình 1D với áp suất đẩy cao hơn điểm MMP; mơ hình có số ơ lưới N = 1000, ∆x = 0,61 m.

1.5.4.6. Hiện tượng phân tỏa dạng ngón và phân đới tỷ trọng

Về lý thuyết phương pháp bơm ép nước khí luân phiên mang lại hiệu quả thu hồi dầu cao hơn so với các phương pháp thông thường. Tuy nhiên, thực tế không phải dự án nào cũng áp dụng thành công, hiệu quả thu hồi dầu giảm bởi hai nguyên nhân chính: hiện tượng phân tỏa dạng ngón và hiện tượng phân đới tỷ trọng.

Hiện tượng phân tỏa dạng ngón được xác định là dạng mặt tiến và đẩy của nước hoặc khí xâm nhập vào dầu vỉa dưới dạng phân tỏa hình dạng ngón tay trong quá trình bơm ép [96]. Hiện tượng phân tỏa dạng ngón chính là hiệu quả quét ngang của chất lưu đẩy. Hiệu quả quét được tính bằng phần trăm diện tích mà chất lưu đẩy

tượng phân tỏa dạng ngón xảy ra khá thường xuyên trong quá trình bơm ép nước khí luân phiên (Hình 1.18). Hiện tượng phân tỏa dạng ngón giảm dần theo những nút khí tiếp theo như thí nghiệm của Jackson (1984) và Andrew (1985).

Hình 1.18: Hiện tượng phân tỏa dạng ngón trong bơm ép nước khí luân phiên

Hiện tượng phân đới tỷ trọng là hiện tượng các chất lưu bị tách từng phần hay toàn phần trong quá trình bơm ép do sự khác biệt về tỷ trọng giữa các chất. Khí sẽ dịch chuyển lên nóc vỉa và nước sẽ đi xuống đáy của vỉa, hiện tượng này làm giảm hiệu quả quét đứng của khí. Đối với bơm ép nước khí luân phiên hay nước khí đồng thời thì dòng chảy của các chất lưu dưới vỉa bao gồm nước, khí và dầu. Chính sự khác biệt về tỷ trọng mà xảy ra hiện tượng phân đới tỷ trọng. Khí sẽ có khuynh hướng quét phía trên nóc vỉa và nước thì quét phía đáy vỉa. Hiện tượng phân đới tỷ trọng trong bơm ép nước khí luân phiên được thể hiện như hình 1.19.

1.5.4.7. Yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định giữa các nút dung môi bơm ép

Độ ổn định giữa các nút bị ảnh hưởng bởi tốc độ bơm ép và khả năng đẩy của dung môi bơm ép đối với dầu vỉa. Quá trình thay thế pha không ổn định sẽ dẫn đến hiệu quả thu hồi dầu thấp hơn kỳ vọng [26]. Độ ổn định được nghiên cứu nhiều trên các chương trình mô phỏng và hầu hết chỉ ra rằng tốc độ bơm ép càng cao thì hiệu

Đặc tính dầu tại điều kiện vỉa

Trạng thái khai thác các giếng