Cấu trúc lỗ rỗng

1.2.2. Dòng chảy trong lỗ rỗng

Định luật Darcy

Dịng chất lưu trong mơi trường rỗng của đất đá được nhà khoa học Darcy mô tả qua phương trình (1.1), đây là định luật cơ bản thể hiện khả năng dịch chuyển của chất lưu trong môi trường rỗng. Nó thể hiện mối quan hệ giữa chênh áp của một chất lưu không chịu nén chảy qua lỗ hổng có chiều dài là L và cắt qua tiết diện A. Tớc độ của dịng chảy phụ thuộc vào độ nhớt của chất lưu, tiết diện, chiều dài và chênh áp giữa hai đầu của môi trường rỗng [93]. Định luật Darcy được thể hiện như sau:

𝐾 =𝐴𝑃µ𝑞𝐿 (1.1) Trong đó : K - Độ thấm, Darcy

P - Độ chênh áp suất giữa đầu và cuối mẫu, atm L - Chiều dài mẫu, cm

A - Tiết diện mẫu, cm2

µ - Độ nhớt của chất lưu, cp

q - Lưu lượng của chất lưu đi qua mẫu, cm3/sec

Đá Đá Đá Đá Đá Đá Lỗ rỗng Lỗ rỗng Cổ lỗ rỗng

Dòng chảy đa pha trong môi trường rỗng

Định luật Darcy áp dụng cho chế độ dòng chảy một pha, tuy nhiên trong thực tế, vỉa chứa dầu khí tồn tại nhiều hơn một loại chất lưu đồng thời (dầu, khí, nước) chảy tới giếng khai thác [104]. Chế độ của dòng chảy chất lưu trong môi trường đất đá có thể chia thành hai trường hợp là ổn định và không ổn định. Đối với chế độ chảy ổn định thì mọi vị trí trong dòng chảy đều có tính chất như nhau, tuy nhiên đối với chế độ chảy không ổn định thì ngược lại. Nhiều ́u tớ ảnh hưởng đến dịng chảy đa pha như độ bão hoà chất lưu, tính dính ướt, lực mao dẫn, sức căng bề mặt và độ thấm pha tương đối.

Độ linh động và tỷ số độ linh động của chất lưu

Độ linh động là tỷ số giữa độ thấm và độ nhớt của chất lưu k/µ. Khi dịng chảy chất lưu có hai pha như khí/dầu; dầu/nước; khí/nước đặc trưng chảy của chất lưu đa pha phụ thuộc vào tỷ suất giữa độ linh động M của mỗi chất lưu dầu, khí và nước. Khi một chất lưu bị một chất lưu khác đẩy tỷ số độ linh động được quy ước là tỷ suất linh động của chất lưu đẩy trên chất lưu bị đẩy [48]. Nếu tỷ số này lớn hơn 1, có nghĩa là sự đẩy này diễn ra không như ý muốn, thường là kết quả của hiện tượng phân toả dạng ngón hay có thể bị đánh thủng. Đối với những tỷ số độ linh động nhỏ hơn hoặc bằng 1 thì quá trình đẩy sẽ diễn ra như piston đẩy. Ảnh hưởng của tỷ số độ linh động lên hiện tượng phân tỏa dạng ngón bằng cách đưa ra hàng loạt các dạng phân tỏa dạng ngón xảy ra với các giá trị tỷ số linh động khác nhau (Hình 1.5).

Theo Stalkup (1983) công thức để tính tốn tỷ sớ linh động cho bơm ép nước khí luân phiên khi có sự hiện diện của nước trong dầu vỉa (công thức 1.2).

( ) ( ) Sowavg w w o o Swavg w w g g w o w g d a y b i Chat d a y Chat K K K K M       +         + = + + = = − − −           (1.2) Trong đó:

λchat-day : Độ linh động của nước và khí. λ chat-bi-day : Độ linh động của nước và dầu.

Kw, Kg, Ko : độ thấm pha hiệu dụng của nước, khí và dầu (mD). µw, µg, µo : Độ nhớt của nước, khí, dầu (cP).

Hình 1.5: Hiện tượng phân tỏa dạng ngón trên mơ hình 5 điểm

1.2.3. Cơ chế đẩy dầu vi mơ

Quá trình đẩy dầu từ vỉa chứa vào giếng đòi hỏi dòng dầu và chất lưu bơm đẩy đều đi qua lỗ rỗng của đá chứa. Sự thay đổi khác nhau về kích thước, hình dạng và mức độ liên kết giữa các lỗ rỗng sẽ dẫn đến sự thay đổi liên tục của vận tớc dịng chất lưu khi đi qua không gian rỗng. Không thể xác định chính xác vận tốc do sự vận động rất phức tạp của quá trình này [25]. Một trong các nguyên tắc để nâng cao hệ số thu hồi dầu là vận tớc dịng chảy chậm. Khi hệ sớ Reynold thấp hoặc cơ chế dòng chảy chậm, năng lượng dòng bị giảm bởi lực nhớt và sự thay đổi của vận tớc dịng do cấu trúc lỗ rỗng làm giảm vận tớc của dịng.

Cơ chế đẩy vi mô phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố từ cơ chế trộn lẫn/không trộn lẫn, vị trí tiếp xúc giữa chất lưu đẩy và chất lưu vỉa [49]. Cơ chế đẩy vi mơ cịn phụ thuộc vào cấu trúc của lỗ rỗng, bẫy dầu trong cấu trúc rỗng, dầu tàn dư còn lại sau khi bơm đẩy nước, tính chất dính ướt của đá vỉa, góc tiếp xúc giữa chất lưu đẩy - chất lưu vỉa hoặc nước - dầu. Để có thể hiểu rõ được từng cơ chế thì cần hiểu rõ được

các yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế đẩy vi mơ.

1.2.3.1 . Q trình đẩy khơng trợn lẫn và khu vực tiếp xúc phía trước

Dịng chất lưu khơng trộn lẫn thực sự luôn tách biệt do bề mặt được xác định, độ dày của chúng chính là đường kính phân tử. Bề mặt xung quanh giữa các dòng chất lưu đóng vai trò quan trọng trong di chuyển vi mơ của dịng lỏng và q trình đẩy trong môi trường rỗng, cũng như sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến vùng tiếp xúc phía trước [22]. Ở mức độ vi mô, sự tồn tại và hình dạng của chúng được xác định bởi ảnh hưởng của cả dạng lỗ rỗng và đặc tính dính ướt của các dòng lỏng với bề mặt của khơng gian rỗng. Vận tớc dịng chảy, áp suất tăng lên trong vùng phân cách pha giữa hai chất lỏng và được xác định là vùng tiếp xúc phía trước (frontal region) trong môi trường rỗng.

Do sự không ổn định của áp suất mao dẫn hoặc do bẫy mà dầu tàn dư trong đá chứa luôn lớn khi bơm ép nước gia tăng thu hồi. Để có thể tối ưu bơm ép chất lưu nâng cao hệ số thu hồi dầu thì cần xem xét đồng thời hai cơ chế là đẩy không trộn lẫn dẫn đến dầu tàn dư bị bẫy khi các giọt đẩy bị tách biệt và thứ hai là tăng hiệu quả đẩy trộn lẫn khi giảm các bẫy dầu trong đá chứa.

1.2.3.2 . Q trình đẩy trợn lẫn

Cơ chế liên quan đến quá trình đẩy hai chất lỏng trộn lẫn là không có sự phân biệt rõ ràng giữa các lớp chất lỏng để ngăn cản sự di chuyển của các phân tử. Ngoài ra sự khác biệt giữa “trộn lẫn” và “hỗn hợp” cần phải làm rõ vì sẽ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình đẩy vi mơ, ảnh hưởng đến dịng chảy trong lỗ rỗng. “Trộn lẫn” là hệ chất lưu đẩy và lưu thể vỉa là một thể thống nhất, chỉ có thể tồn tại trong một pha duy nhất là pha khí hoặc dạng pha lỏng, dòng chảy của “trộn lẫn” qua lỗ rỗng là dòng chảy đơn. “Hỗn hợp” là chất lưu đẩy và chất lưu vỉa tổn tại song hành cùng dạng pha khí hoặc pha lỏng và dòng chảy của “hỗn hợp” là dòng chảy của nhiều chất với các phân tử và vận tớc khá nhau, dịng chảy có thể là dịng chảy rới hoặc dịng chảy phức hợp. Trộn lẫn hoàn toàn và trộn lẫn hỗn hợp được phân biệt do sự khác nhau về tính chất lưu đẩy và tính chất lưu vỉa, có thể do tỷ trọng, tính chất lý - hóa, độ nhớt, thành

phần các cấu tử v.v. Công thức để mô tả quá trình dịch chuyển liên tục, hỗn loạn trong một khoảng không chung dựa vào khối lượng riêng của từng phân tử tuân theo phương trình mũ để mô phỏng đường cong theo thời gian (Crank,1956) [27]

Th = x2/SD (1.3)

Trong đó: x: là độ dài không gian, cm;

S: là số tỷ lệ (có độ lớn là 10) tùy theo các hướng của không gian và hình dạng;

D: là sự khuếch tán phân tử, cm2/s.

Đới với các loại dịng lỏng trộn lẫn có thể trở thành trộn lẫn hỗn hợp trong thời gian ngắn nhất, chúng cần được tiếp xúc gần với nhau hơn. Tuy nhiên, kết quả cho thấy sự ảnh hưởng của sự khác nhau giữa tốc độ chảy qua lỗ rỗng được hoàn toàn xóa bỏ khi mở rộng ‘vùng trộn lẫn’ giữa hai dòng lỏng. Lý do cho hiện tượng này là sự khuếch tán phân tử rất hiệu quả trong việc đồng nhất các chất trong từng lỗ rỗng trong một khoảng thời gian của dòng lỏng chảy qua toàn bộ cấu trúc lỗ rỗng. Một ảnh hưởng tương tự về sự khuếch tân phân tử trong việc ngăn cản sự trộn lẫn hai dòng lỏng trộn lẫn trong thời gian chảy qua lỗ nhỏ được miêu tả bởi Taylor (1953).

Thí nghiệm đẩy hoà trộn lý tưởng đã được thực hiện để đánh giá sự phát triển của khu vực trộn lẫn. Một mẫu đá lớn đồng nhất đã được sử dụng và dòng lỏng để thay thế và dòng lỏng bị thay thế được chọn với khả năng hòa lẫn với nhau và có năng lượng chảy giống hệt nhau [22]. Sự thay đổi của Δx (cm) được đo khi tỷ lệ là 10% và 90%, tỷ lệ có được là (Aronofsky và Heller, 1957) [22].

Δx 90,10 = 3.62√𝔇𝑡 (1.4)

Trong đó: t là thời gian trơi qua theo giây khi Δx = 0 (nó cịn có thể được thể hiện dưới dạng quãng đường chia cho tốc độ chảy) và 𝔇 là hệ số khuếch tán theo cm2/s (giống với giá trị của khuếch tán phân tử). Hệ số khuếch tán này là hàm của tỷ lệ bay hơi và khuếch tán, theo chỉ số vi mô của số Peclet, Pe

Trong đó: D là sự khuếch tán phân tử (hay tỷ lệ khuếch tán là cm2/s), λ là khoảng cách vi mô (cm) và v là tớc độ dịng chảy dịng lỏng (cm/s). Theo Heller (1963)[49], tỷ lệ giữa 𝔇 và D có thể viết theo dạng công thức dưới đây

(1.6)

Trong đó:  là tỷ lệ rỗng trong đá và F là hệ số chống đối độc lập. Hệ số a1 và a2 phụ thuộc vào lỗ rỗng bên ngoài đá, với a2 rất nhỏ và gần như không ảnh hưởng gì đến tính chất đá.

Từ các công thức và biện luận ở trên có thể nhận định hiệu quả của quá trình đẩy vi mô sẽ chịu ảnh hưởng rất lớn từ quá trình trộn lẫn hoàn toàn hay trộn lẫn hỗn hợp. Vận tớc dịng chảy sẽ là yếu tố quyết định lên áp suất mao dẫn và lực đẩy dầu cũng như hệ số bao quét của hệ lưu đẩy trên phạm vi lỗ rỗng và toàn bộ cấu trúc lỗ rỗng của đá vỉa.

1.2.3.3 . Ảnh hưởng của bẫy dầu

Về lý thuyết, ciệc làm giảm tỷ lệ dầu dư có thể đạt khi bơm ép nước ban đầu với chỉ số mao dẫn lớn [19]. Nói chung, bão hoà dầu dư thấp đạt được ở một chỉ số mao dẫn khi dầu thu được liên tục (Stegemeier,1977; Chatzis và Morrow,1981) [53]. Việc này có thể liên quan đến sự khác biệt trong cách vận hành về thu hồi dầu thông qua dịng chảy liên tục và khơng liên tục. Để dịch chuyển giọt dầu cần có sự khác biệt đủ lớn giữa lực dẫn lưu và hấp thụ, việc ngăn chặn bẫy các giọt dầu có thể yêu cầu việc hấp thụ phải xảy ra ở phần cuối đuôi giọt dầu trước khi giọt dầu bị cắt khỏi thành phần chính dính trên bề mặt lỗ rỗng hoặc các bẫy của lỗ rỗng hoặc trong toàn bộ cấu trúc không gian hạt [53]. Sự đo đạc về khối lượng của các hình cầu giọt dầu cho thấy chỉ số mao dẫn để di chuyển phải lớn hơn gấp 20 lần lực cản trở nó bởi các bẫy dầu (Morrow và Chatzis,1982) [53]. Tuy nhiên, đối với môi trường chặt sít, sự phân tách ít hơn nhiều, lên tới 50% hoặc lớn hơn trong việc giảm dầu dư, có được từ hai điều kiện đầu tiên (dầu dư và dầu chảy liên tục) ở cạnh bên nhau.

1.2.3.4 . Ảnh hưởng của tính chất dính ướt đến khả năng thu hồi dầu

Khả năng dính ướt là yếu tố chính trong việc phân chia các pha (rắn, lỏng, khí) và có thể tạo ra những thay đổi lớn trong cơ chế đẩy đầu đã được nghiên cứu trong một hệ thống có một khả năng dính ướt hoàn toàn (Raza et al.,1968) [53]. Đo góc liên kết giữa dầu thô và nước biển tại một số bề mặt lựa chọn cho thấy tình trạng liên kết từ dính ướt nước đến dính ướt dầu, tương tự như được phát hiện tại các giếng dầu (Treiber et al.,1972) [53]. Mặc dù góc dính ướt thường được nhận định chung là công cụ để đo độ dính ướt nhưng ứng dụng của nó tại các giếng dầu thường hạn chế là do việc đo đạc không diễn ra ngay tại bề mặt của đá tại giếng dầu. Sự khác biệt giữa các thành phần khoáng chất trong đá cũng dẫn tới khả năng dính ướt khác nhau ở từng bề mặt của đá và cũng thay đổi từ bề mặt tiếp xúc nhỏ đến bề mặt tiếp xúc lớn [21].

Các nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh môi trường dính ướt tốt nhất để làm giảm sự bẫy nước/bẫy dầu thì áp suất mao dẫn hấp thụ phải tiến tới không. Tuy nhiên, khi áp suất mao dẫn hấp thụ chuyển dấu, hệ thống sẽ thay đổi thành bán kết dính và sự hấp thụ của hai chất lỏng sẽ không xảy ra tự nhiên nữa [25]. Sự thay đổi dấu gắn liền với sự thay đổi đột ngột trong quá trình làm đầy lỗ rỗng với những lỗ to được làm đầy trước những lỗ nhỏ. Việc đo góc dính ướt tại chất lỏng micellar đã được báo cáo bởi Reed và Healy (1979) [53]. Môi trường dính ướt để thu hồi dầu tốt nhất không nhất thiết là môi trường dính ướt tốt nhất nếu tất cả các yếu tố khác là bằng nhau (Reed và Healy,1979) [53]. Do sự khác nhau quá lớn giữa các phương pháp đẩy được tạo ra bởi hiệu quả dính ướt, để có thể tối ưu và gia tăng hiệu quả cho quá trình đẩy vi mô thì các nghiên cứu khoa học về mức độ dính ướt cần được thực hiện trước để rút ra được một giải pháp tốt về sự quan trọng của khả năng dính ướt ở các phương pháp thu hồi dầu khác nhau. Với các mỏ dầu thì chất lưu đẩy nâng cao hệ số thu hồi dầu sẽ là tốt nhất khi có thể chuyển dịch từ dính ướt dầu sang dính ướt nước mạnh.

1.2.4. Cơ chế đẩy dầu vĩ mô

Mục tiêu chính của việc mô tả tác động vĩ mô của thu hồi dầu là dùng tính toán để dự đoán các bước trong quá trình bơm ép với các đặc điểm có thể tính toán hoặc ước lượng được. Hơn nữa, nó cũng có thể tính tốn cụ thể mà khơng dựa vào các đặc tính, ảnh hưởng cụ thể trong các trường hợp vi mô như cấu trúc của lỗ rỗng, độ thấm, dính ướt của đá. Ở góc độ vĩ mơ là các tính tốn khới lượng trung bình của đá có chứa rất nhiều lỗ rỗng, hay có thể hiểu là trên toàn bộ cấu trúc của tất cả các đối tượng sẽ áp dụng để nâng cao hệ số thu hồi dầu. Những tính chất đá vỉa này gồm: độ rỗng, độ thấm, độ thấm tương đới, độ ướt dính, bão hịa dầu dư, bão hòa nước ban đầu và tỷ lệ ngập nước trong đá, hoặc những thơng sớ biến thiên như vận tớc dịng chảy và nồng độ của chất lưu vỉa, nồng độ chất bơm đẩy theo không gian và thời gian. Theo cách tiếp cận vi mô, những yếu tố trên được liên quan với nhau bởi một công thức tốn học. Cơng thức Darcy và biểu thức cân bằng trọng lượng và tỷ lệ dịng chảy đã được sử dụng khá thành cơng để thể hiện các vấn đề vi mô, mà không nhắc đến những thay đổi vĩ mô đằng sau nó. Về địa chất, tính bất đồng nhất về phân bố độ rỗng trong toàn bộ không gian vỉa chứa, tính chất liên thông giữa các vỉa cát sẽ tác động rất lớn đến độ thấm cũng như dòng chảy trong vỉa, tác động rất lớn đến khả năng quét của của hệ chất lưu đẩy để nâng cao thu hồi dầu. Cấu trúc của vỉa chứa sẽ dẫn đến sự khác biệt lớn về khối lượng, vận tớc và hướng của dịng chảy trong vỉa giữa vỉa này với các vỉa cát khác. Tất cả các vấn đề về địa hình, cấu trúc sẽ ảnh hưởng

Đặc tính dầu tại điều kiện vỉa

Trạng thái khai thác các giếng