2.1 Giới thiệu Polymer dùng công nghệ nâng cao hệ số thu hồi dầu
Trong công nghệ khai thác dầu khí Polymer được sử dụng chủ yếu trong các mô hình sau đây:
1. Xử lý vùng cận đáy giếng nhằm cải thiện điều kiện bơm ép ở giếng bơm hoặc giảm sự hình thành các nón nước ở giếng khai thác bằng cách phong toả bớt các vùng có độ thấm cao.
2. Tác nhân tạo gel tại chỗ trong vỉa. Với phương pháp này polymer được bơm vào sâu trong vỉa, gel thành tạo sẽ trám nút vùng có độ thấm lớn làm thay đổi dòng thấm dẫn đến làm tăng hiệu quả bao quét của dung dịch đẩy.
3. Bơm ép dung dịch polymer. Pha đẩy sử dụng thêm Polymer nhằm giảm độ linh động trên cở sở tăng độ nhớt và giảm độ thấm của pha nước (điều khiển tỷ số linh động giữa pha đẩy và pha bị đẩy) để tăng hệ số thay thế (hệ số bao quét) dầu và giảm mức độ ngập nước của giếng khai thác.
Mô hình 1 chỉ đơn thuần xử lý giếng. Polymer dùng trong công nghệ nâng cao hệ số thu hồi dầu khí chủ yếu dùng mô hình 2 và 3. Trong phạm vi đề tài này chỉ tập trung vào mô hình 3 tức là điều khiển độ linh động của pha đẩy (nước) bằng dung dịch Polymer. Thông thường phương pháp này đạt hiệu quả cao khi giá trị tỷ số linh động nước/dầu lớn, vỉa sản phẩm có mức độ không đồng nhất về tính thấm và chứa.
Quá trình bơm ép dung dịch polymer vào vỉa, được phân vùng theo mặt cắt giếng khai thác đến giếng bơm ép như sau (xem hình 2.1):
Đầu tiên là phần quét sơ bộ thường là nước có độ mặn thấp.
21
Hình 2.1: PHÂN VÙNG BƠM ÉP KHI BƠM ÉP DUNG DỊCH POLYMER
Tiếp theo là dung dịch polymer.
Sau đó là vùng nước đệm bảo vệ polymer (lớp đệm bảo vệ polymer cũng là dung dịch Polymer có nồng độ giảm dần).
Cuối cùng là nước bơm ép.
Trong quá trình khai thác dầu, khi duy trì áp suất vỉa bằng bơm ép nước.
Hệ số thu hồi dầu tính bằng công thức:
η = ED × Ev (2.1) Trong đó:
η - Hệ số thu hồi dầu
ED - Hệ số đẩy dầu: Là tỷ số giữa lượng dầu được đẩy ra trên lượng dầu tiếp xúc với pha đẩy (nước).
oi D or
s
E 1 s (2.2) Trong đó:
Sor - Độ bão hoà dầu dư tiếp xúc với pha đẩy (nước).
Soi - Độ bão hoà dầu ban đầu của vỉa.
Ev - Hệ số bao quét dầu theo thể tích: Là tỷ số giữa lượng dầu tiếp xúc với pha đẩy (nước) trên lượng dầu tại chỗ trong vỉa.
Quét sơ bộ polymer DD
Vùng đệm Nước bơm ép
22
EV EAEI (2.3) Trong đó:
EA - Hệ số bao quét dầu theo thể tích: Là tỷ số giữa diện tích tiếp xúc với pha đẩy trên tổng diện tích mặt cắt ngang.
EI - Hệ số bao quét dầu theo chiều thẳng đứng: Là tỷ số giữa diện tích thẳng đứng dầu tiếp xúc với pha đẩy trên tổng diện tích thẳng đứng.
Giá trị ED và EV nằm trong khoảng 0 - 1. ED đặc trưng cho hiệu quả đẩy dầu của pha đẩy trong môi truờng rỗng, phụ thuộc vào tác nhân đẩy, khối lượng, thời gian tác nhân đẩy, tính chất của lưu thể và đá chứa. Nếu quá trình đẩy dầu xảy ra khi tác nhân đẩy tiếp xúc hoàn toàn với lượng dầu trong vỉa thì khi đó ED trở thành hệ số thu hồi dầu (EV = 1). Hệ số bao quét (EV) phụ thuộc vào mức độ đồng nhất của vỉa, sơ đồ bơm ép và tỷ số linh động giữa pha đẩy và pha bị đẩy.
d
M D
(2.4) Trong đó:
M - Tỷ số linh động của pha đẩy và pha bị đẩy λD - Độ linh động của pha đẩy (nước)
D D D
k
(2.5) Trong đó:
kD - Độ thấm pha đẩy, mD μD - Độ nhớt của pha đẩy, cP λd - Độ linh động của pha bị đẩy (dầu)
d d d
k
(2.6) Trong đó:
kd - Độ thấm của pha bị đẩy, mD
23
μd - Độ nhớt của pha bị đẩy, cP
Trong qúa trình bơm ép do độ thấm của mỗi pha thay đổi theo độ bão hoà của chúng, nên tỷ số linh động M cũng thay đổi theo. Do đó giá trị M hay sử dụng để:
Đánh giá hiệu quả đẩy dầu (tỷ số linh động điểm cuối Mo)
Đánh giá hệ số bao quét (tỷ số linh động trung bình M).
Trong đa số các trường hợp đẩy dầu bằng nước thì M > 1, đây là một tỷ số linh động bất lợi cho quá trình đẩy dầu (độ linh động của pha đẩy lớn hơn pha bị đẩy). Khi đó tại giới hạn đẩy dầu/nước sẽ suất hiện các lưỡi nước nhỏ dạng ngón tay và sau đó phát triển lớn dần. Sự phát triển mau chóng của các lưỡi nước về giếng khai thác sẽ làm hiệu quả bao quét của pha đẩy trong vỉa sẽ suất hiện các vùng bão hoà dầu bị bỏ rơi ở phía sau pha đẩy dẫn đến làm giảm hệ số thu hồi dầu. Quá trình này sẽ diễn ra trầm trọng hơn khi vỉa không đồng nhất về tính thấm chứa.
Quá trình giảm độ linh động của pha đẩy tương đương với giảm tỷ số linh động M. Điều đó dẫn đến tăng hệ số thu hồi dầu do tăng hệ số bao quét thể tích Ev (tăng EA và EI).
Giảm tỷ số linh động M cũng dẫn đến cải thiện hiệu quả đẩy ED song phức tạp hơn. Hiệu quả đẩy chủ yếu phụ thuộc tỷ suất pha chảy dầu/nước. Ở mô hình đẩy dầu bằng nước đơn giản của Buckley-Leverett khi không tính đến ảnh hưởng của lực mao dẫn và lực trọng trường trong dòng chảy hỗn hợp dầu/nước là:
k M k
k f
o o w w
w w
w 1 1
1
(2.7)
Trong đó:
Kw, Ko - Độ thấm của pha nước và dầu, mD
24
μw, μo - Độ nhớt của pha nước và dầu, cP
Khi giảm độ linh động của pha đẩy tỷ suất nước trong dòng chảy giảm theo. Điều đó dẫn đến hạn chế lượng nước xuất hiện ở giếng khai thác. Hay độ ngập nước sản phẩm sẽ giảm khi giảm độ linh động của pha nước. Điều đó góp phần giảm lượng dung dịch cần thiết cho bơm ép.
Như ta thấy bằng cách điều khiển độ linh động của pha đẩy, hiệu quả đẩy và bao quét dầu được tăng lên rõ rệt. Việc điều khiển độ linh động của pha đẩy có thể được thực hiện bằng cách bơm một lớp dung dịch đệm polymer vào vỉa. Một lượng nhỏ polymer trong pha đẩy sẽ làm tăng đáng kể độ nhớt và giảm độ thấm của pha đẩy (giảm độ linh động) dẫn đến cải thiện được điều kiện đẩy và bao quét của pha đẩy. Phương pháp sử dụng polymer có kỹ thuật đơn giản song việc áp dụng trên toàn mỏ không phải lúc nào cũng thành công.
Sử dụng polymer cho bơm ép nhằm nâng cao hệ số thu hồi dầu còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như chất lượng polymer, điều kiện vỉa, chất lưu, sự tương tác giữa polymer và vỉa, quá trình khai thác mỏ… và nhất là giá thành của polymer. Tất cả các yếu tố sẽ được xem xét kỹ khi nghiên cứu khả năng sử dụng chúng tại một mỏ cụ thể nhằm nâng cao hệ số thu hồi dầu.
Một điều chú ý là hiệu quả đẩy dầu của pha đẩy phụ thuộc rất nhiều vào giá trị độ bão hoà dư của dầu trong vỉa (theo công thức 2.2). Độ bão hoà dầu dư này phụ thuộc vào hiệu quả rửa quét của pha đẩy và khối lượng dung dịch đẩy trong môi trường rỗng. Giảm giá trị độ bão hoà dầu dư chính là cơ sở để áp dụng tính chất tẩy rửa của các chất hoạt động bề mặt. Như vậy việc tăng đơn thuần tính chất đẩy của pha đẩy trên cơ sở giảm độ linh động của pha đẩy chưa đủ để dẫn đến tăng hệ số thu hồi dầu cuối cùng (giảm độ bão hoà dầu dư trong vỉa). Do vậy hiệu quả sử dụng polymer sẽ tăng lên rõ rệt nếu polymer đó ngoài khả năng làm giảm độ linh động của pha đẩy còn có khả năng tăng cường tính chất tẩy rửa của pha đẩy đó. Đó chính là cơ sở của phương pháp sử
25
dụng đồng thời các chất hoạt động bề mặt với polymer. Điều này không nằm trong phạm vi nghiên cứu của đề tài.
2.2 Nghiên cứu polymer trong công nghệ nâng cao hệ số thu hồi dầu Có nhiều loại polymer được xem xét sử dụng cho công nghệ nâng cao hệ số thu hồi dầu. Nhưng trong thực tế người ta sử dụng hai loại polymer chính:
Polyacrylamides và Polysacharides.
Polyacrylamides là loại tổng hợp được thuỷ phân từng phần. Loại polymer có ưu điểm: Rẻ tiền, tương đối bền dưới tác dụng vi sinh có khả năng làm giảm độ thấm trong môi trường rỗng. Tuy nhiên chúng dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao và dễ phản ứng với muối và các pha rắn (hàm lượng Ca+2, Mg+2) trong nước vỉa. Điều này cản trở Polyacrylamides được sử dụng rộng rãi trong công nghệ nâng cao hệ số thu hồi dầu khí.
Polysacharides là loại polymer vi sinh (biopolymer hoặc xanthan gum) được tạo thành từ quá trình lên men vi sinh. Yếu điểm của polymer này là chúng dễ bị vi sinh hoá song bù lại chúng có độ bền ở nhiệt độ cao và ít phản ứng hơn với độ mặn. Trên thế giới có loại Xanthan gum chịu nhiệt đến 175oC.
Giá thành polysacharides đắt hơn Polyacrylamides song nếu so giá thành lượng polymer cần thiết để giảm cùng một đơn vị độ linh động thì chúng xấp xỉ như nhau. Do vậy nhóm polysacharides được sử dụng trong các điều kiện khắc nghiệt hơn về nhiệt độ cũng như độ mặn, độ cứng của nước vỉa.
2.2.1 Điều chỉnh độ linh động
Để xác định những đặc tính của sự điều chỉnh linh động của dung dịch polymer, người ta thường thông qua hai thông số độ nhớt dung dịch và hệ số chắn. Độ nhớt được đo bằng dụng cụ có tên Viscometer và hệ số chắn đo bằng thiết bị gọi là Screen Viscometer.
26
Hệ số chắn mang ý nghĩa giảm về khả năng của dung dịch polymer làm giảm độ thấm của môi trường rỗng. Hệ số chắn liên qua đến giảm độ thấm trong vỉa theo từng loại polymer vì nó thay đổi rất khác biệt theo phân tử lượng và cấu trúc của phân tử polymer
Để đánh giá sự giảm độ thấm của mẫu Bruce L. Knight đã làm thí nghiệm như sau: Chọn mẫu khô và sạch cho bão hoà nước khoáng vỉa và xác định độ thấm ban đầu, sau đó bơm khoảng 10 PV dung dịch polymer (đã được đo hệ số chắn) qua mẫu, lưu lượng bơm qua mẫu khoảng 10 ft3/day. Cuối cùng bơm nước qua mẫu với cùng vận tốc. Xác định độ thấm và tính độ giảm của độ thấm qua mẫu. Kết quả thí nghiệm được đưa vào bảng 2.1. Dựa trên mức giảm độ thấm có thể tính được khả năng điều chỉnh độ linh động của dung dịch đẩy.
Bảng 2.1: Giảm độ thấm sau khi bơm ép polymer trên mẫu
Mô tả dung dịch Hệ số chắn
Độ thấm đầu ki (mD)
Độ thấm sau Kf (mD)
Giảm độ thấm ki/Kf
Đầu Cuối Đầu Cuối Đầu Cuối
Tươi 24.2 166 167 12.0 21.0 13.8 8.0
Sau 41 ngày tại 50oC 17.9 116 -- 58.0 -- 2.0 --
Sau 37 ngày tại 50oC (50
ppm Na2SO4.2H2O) 24.7 156 169 10.7 17.8 14.6 9.5 Sau 39 ngày tại 50oC (50
ppm Formaldehyde) 23.9 134 152 20.6 16.7 13.9 9.1
Mô tả dung dịch polymer 25.1 121 147 8.5 17.3 14.2 8.5
27
2.2.2 Dòng polymer qua môi trường rỗng
Độ nhớt của dung dịch polymer trong môi trường rỗng tính theo công thức của Mooney - Rabinowitsch như sau:
vr (2.8) Trong đó:
τ: Ứng suất trượt
r: Bán kính dòng thấm, cm v: Vận tốc dòng, cm/s
Như ta đã biết phương trình phân tán của polymer qua môi trường rỗng một hướng như sau:
x V c x K c t
c 2 (2.9) Trong đó:
c: Nồng độ polymer hoà tan g/cm3 K: Hệ số phân tán, cm2/s
V: Vận tốc bề mặt chất lỏng, cm/s Hệ số K có thể được xác định như sau:
K = Do+A1Vb (2.10) Trong đó:
Do: Hằng số khuyếch tán phân tử (thường rất nhỏ nên có thể bỏ qua).
A1: Hằng số của sự tỷ lệ theo vận tốc phân tán.
b: Hệ số mũ tốc độ phân tán thường có giá trị nằm trong khoảng 1.0 - 1.1 đối với môi trường rỗng rắn chắc.
Khi có mặt sự hấp thụ của polymer và một phần độ rỗng không thể xâm nhập đối với polymer phương trình có thể viết lại như sau:
28
t x
V c x K c t c
2
2 (2.11) Trong đó:
Г: Lượng polymer bị hấp thụ, g Φ: Độ rỗng
ρ: Khối lượng riêng của đá, g/cm3
Vp: Vận tốc trung bình dung dịch polymer qua môi trường rỗng cm/s
f V f A
i A
V i
p
p
(2.12) Trong đó:
i: Lưu lượng bơm ép, cm3/s A: Diên tích mặt cắt của mẫu, cm2 p: Độ rỗng hiệu dụng đối với polymer f: Phần độ rỗng có thể xâm nhập được
p
f (2.13) Các phương trình 2.9 và 2.11 là các phương trình khuếch tán điển hình
được sử dụng trong mô hình nhằm đánh giá thông số bơm ép polymer cho mỏ.
Điều quan trọng là phải xác định được hệ số phân tán K qua hai thông số A1
và b. Các thông số này có thể xác định trên cơ sở các thí nghiệm đối với dung dịch polymer khác nhau.
Năm 1987 K.S.Sorbie, A.Parkervà P.T.Cliford đã làm thí nghiệm trên mẫu lõi để nghiên cứu dòng polymer (xanthan) trong môi trường rỗng. Mẫu đá là Sandstone, dung dịch hoà tan polymer là nước muối nhân tạo với nồng độ 32 g/l cộng với 400 mg NaOH. Hai loại polymer được sử dụng là Flocon
48000 và Xanthan 14C-labeled. Đặc tính của mẫu thí nghiệm xem bảng 2.2
29
Bảng 2.2: Các thông số của mẫu
Số hiệu mẫu
Chiều dài (cm)
Diện tích mặt cắt
(cm2)
Độ rỗng Độ thấm
(mD) PV (cm3) 10A 50 17.35 0.172 1850 149.2
27A 50 17.35 0.173 850 150.1
31 100 17.35 0.175 1100 303.0
Thí nghiệm được thực hiện trên hai mô hình. Mô hình thứ nhất có sự hấp thụ cân bằng trên toàn mô hình và ở mô hình hai là sự hấp thụ không cân bằng trên mô hình. Kết quả thí nghiệm được biểu diễn trên hình 2.2.và 2.3.
Hình 2.2: ĐỘ PHÂN TÁN THEO VẬN TỐC BƠM
ĐỐI VỚI XANTHAN SỬ DỤNG DUNG DỊCH POLYMER CÓ ĐỘ NHỚT CAO
Hệ số phân tán, cm 2/s Vận tốc bơm, cm/s
30
Hình 2.3: ĐỘ PHÂN TÁN THEO VẬN TỐC BƠM
ĐỐI VỚI XANTHAN KHI SỬ DỤNG DUNG DỊCH POLYMER CÓ ĐỘ NHỚT THẤP
2.2.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bơm ép
Việc sử dụng bơm ép polymer để tăng sản lượng khai thác bị chi phối bởi rất nhiều yếu tố. Đó là nồng độ dung dịch, kích thước nút polymer, độ mặn, độ bão hoà nước ban đầu và độ thấm. Nghiên cứu những yếu tố này là một điều cần thiết của bất cứ đề án bơm ép polymer nào.
Năm 1974 M.T.Szabo đã trình bày những nghiên cứu của mình về vấn đề này bằng thực nghiệm. Thí nghiệm được tiến hành trên sandstone với dung dịch polyacrylamide thuỷ phân. Đầu tiên dầu được bơm qua mô hình và xác định độ bão hoà của nước dư, sau đó bơm nước muối qua và xác định phần trăm thu hồi dầu. Cuối cùng dung dịch polymer được bơm qua mô hình và xác định phần trăm dầu khai thác thêm.
Nồng độ polymer trong khai thác được xác định liên tục trong mỗi lần bơm ép thử nghiệm. Sau khi hoàn thành bơm ép thử thí nghiệm mẫu đá được Hệ số phân tán, cm 2/s Vận tốc bơm, cm/s
31
lấy ra dọc theo vỉa của mô hình. Lượng polymer bị giữ lại trong mẫu được tính toán nhờ vào mẫu nước và mẫu đá.
Hình 2.4: ẢNH HƯỞNG NỒNG ĐỘ POLYMER ĐẾN HỆ SỐ THU HỒI
Trên hình 2.4 phản ánh sự ảnh hưởng của nồng độ polymer, kích thước vùng đệm và độ mặn lên hệ số thu hồi dầu đối với đá có độ thấm trung bình (173 mD). Ta có thể đưa ra kết luận sau:
%dầu khai thác them từ trữ lượng ban đầuđầu %trữtán(cm 2/s) Vận tốc bơm, cm/s
32
Khi tăng nồng độ từ 300 ppm lên 600 ppm dẫn đến tăng đáng kể hệ số thu hồi dầu.
Nhưng khi tăng nồng độ từ 600 ppm lên 1200 ppm thì hệ số thu hồi dầu tăng lên rất ít.
Nếu so sánh giá trị % khai thác thêm khi kích thước vùng đệm khác nhau ta thấy với dung dịch polymer có nồng độ thấp 300 ppm khi tăng gấp đôi kích thước vùng đệm (0.2 PV lên 0.4 PV) vẫn không cải thiện được tình hình khai thác. Nhưng đối với polymer nồng độ cao hơn (600 & 1200 ppm) cho kết quả ngược lại.
Cũng từ đồ thị ta có thể nhận thấy một điều là dung dịch polymer trong nước ngọt đạt kết quả tốt hơn là dung dịch polymer trong nước muối. Sự khác biệt càng lớn khi dung dung dịch polymer có nồng độ thấp.
Hình 2.5: ẢNH HƯỞNG CỦA MUỐI
VÀ NỒNG ĐỘ POLYMER ĐỐI VỚI HỆ SỐ THU HỒI DẦU
% khai thác thêm trữ lượng ban đầutrữtán(cm 2/s) Vận tốc bơm, cm/s
33
Trên hình 2.5 là kết quả những thí nghiệm được tiến hành trên đá có độ thấm cao (1200 mD). Những kết quả này khác với những kết quả thí nghiệm trên đá có độ thấm trung bình. Đó là:
Tăng nồng độ polymer thì hệ số thu hồi dầu cũng tăng, nhưng chỉ đúng với dung dịch polymer trong nước muối, còn đối với dung dịch polymer trong nước ngọt thì hoàn toàn ngược lại mức độ tăng không đáng kể.
Độ mặn ảnh hưởng rất nhiều lên hệ số thu hồi dầu. Ta thấy rằng dung dịch polymer nồng độ 300 ppm trong nước ngọt hiệu quả hơn dung dịch polymer nồng độ 900 ppm trong nước muối.
Và một điều rõ ràng kích thước vùng đệm ảnh hưởng rất ít lên hệ số thu hồi dầu.
Hình 2.6: TƯƠNG QUAN GIỮA LƯỢNG DẦU
KHAI THÁC VÀ NỒNG ĐỘ POLYMERTHEO THỂ TÍCH BƠM ÉP NHẤT ĐỊNH
% khai thác thêm trữ lượng ban đầutrữtán(cm 2/s) Nồng độ polymer, ppm