CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT NÂNG CAO HỆ SỐ THU HỒI DẦU THEO GIẢI PHÁP BƠM ÉP CO 2
2.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp
2.2.2. Cơ chế trộn lẫn CO 2 vào dầu vỉa
Khi bơm ép CO2 vào vỉa, hỗn hợp được tạo ra có thể là một pha hydrocarbon duy nhất hoặc ở trạng thái hai pha dầu, khí riêng biệt. Trong trường hợp hỗn hợp tạo ra là một pha, quá trình bơm ép khí được gọi là bơm ép trộn lẫn. Còn nếu hỗn hợp tạo ra là hai pha, quá trình bơm ép lúc này là không trộn lẫn.
Trong trường hợp không trộn lẫn, để tính toán dòng chảy và phân bố của các pha của hỗn hợp, cần phải có những nghiên cứu về đường thấm pha và áp suất mao dẫn. Đối với trường hợp trộn lẫn thì chỉ có một pha duy nhất tồn tại nên không cần sử dụng đến các tham số trên. Bơm ép trộn lẫn cũng có ưu điểm nữa là không tạo ra lượng dầu tàn dư do sự thay thế của khí đối với dầu tạo ra, qua đó gia tăng được thêm hệ số thu hồi dầu cuối cùng.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
0 0.2 0.4
Chiều sâu, mTVD
Tỷ trọng CO2
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
0 0.02
Chiều sâu, mTVD
Độ nhớt CO2
Hình 2. 7. Thay đổi tỷ trọng, độ nhớt và thể tích của CO2 theo chiều sâu bơm ép (Tính toán bằng phần mềm PVTsim)
2.2.2. Cơ chế trộn lẫn CO2 vào dầu vỉa
Khi bơm ép CO2 vào vỉa, hỗn hợp được tạo ra có thể là một pha hydrocarbon duy nhất hoặc ở trạng thái hai pha dầu, khí riêng biệt. Trong trường hợp hỗn hợp tạo ra là một pha, quá trình bơm ép khí được gọi là bơm ép trộn lẫn. Còn nếu hỗn hợp tạo ra là hai pha, quá trình bơm ép lúc này là không trộn lẫn.
Trong trường hợp không trộn lẫn, để tính toán dòng chảy và phân bố của các pha của hỗn hợp, cần phải có những nghiên cứu về đường thấm pha và áp suất mao dẫn. Đối với trường hợp trộn lẫn thì chỉ có một pha duy nhất tồn tại nên không cần sử dụng đến các tham số trên. Bơm ép trộn lẫn cũng có ưu điểm nữa là không tạo ra lượng dầu tàn dư do sự thay thế của khí đối với dầu tạo ra, qua đó gia tăng được thêm hệ số thu hồi dầu cuối cùng.
0.4 0.6 0.8
Tỷ trọng CO2
0.04 0.06
Độ nhớt CO2
Hình 2. 7. Thay đổi tỷ trọng, độ nhớt và thể tích của CO2 theo chiều sâu bơm ép (Tính toán bằng phần mềm PVTsim)
2.2.2. Cơ chế trộn lẫn CO2 vào dầu vỉa
Khi bơm ép CO2 vào vỉa, hỗn hợp được tạo ra có thể là một pha hydrocarbon duy nhất hoặc ở trạng thái hai pha dầu, khí riêng biệt. Trong trường hợp hỗn hợp tạo ra là một pha, quá trình bơm ép khí được gọi là bơm ép trộn lẫn. Còn nếu hỗn hợp tạo ra là hai pha, quá trình bơm ép lúc này là không trộn lẫn.
Trong trường hợp không trộn lẫn, để tính toán dòng chảy và phân bố của các pha của hỗn hợp, cần phải có những nghiên cứu về đường thấm pha và áp suất mao dẫn. Đối với trường hợp trộn lẫn thì chỉ có một pha duy nhất tồn tại nên không cần sử dụng đến các tham số trên. Bơm ép trộn lẫn cũng có ưu điểm nữa là không tạo ra lượng dầu tàn dư do sự thay thế của khí đối với dầu tạo ra, qua đó gia tăng được thêm hệ số thu hồi dầu cuối cùng.
Biểu đồ tam giác [52] được sử dụng rất nhiều trong việc biểu diễn sự biến đổi pha của dầu vỉa khi tương tác với tác nhân bơm ép. Bản thân dầu vỉa có thành phần hydrocacbon phức tạp từ Metan tới C40+, để biểu diễn trên biểu đồ tam giác, các thành phần hỗn hợp hydrocacbon và CO2 được phân chia thành 3 nhóm giả định cho 3 thành phần: CO2 đại diện cho tác nhân bơm ép, thành phần trung bình (từ C1
tới C6) và thành phần nặng (C7+). Thông thường, tác nhân bơm ép được đặt tại đỉnh của biểu đồ tam giác, thành phần nặng ở góc bên trái và thành phần trung bình ở góc bên phải (hình 2.8). Mỗi đỉnh biểu diễn giá trị 100%mol thành phần.
Mối tương quan các trạng thái pha có thể được biểu diễn trên biểu đồ tam giác đồng thời với thành phần của hỗn hợp. Hình vẽ 2.8 cho thấy các điều kiện cân bằng pha (trong nhiệt độ và áp suất nhất định) của một hệ bao gồm các thành phần C1, C2-C6 và C7+. Trên cơ sở biểu đồ tam giác đã xây dựng, nồng độ của 2 hợp phần dễ dàng được xác định cho bất kỳ điểm nào. Các đường VO và LO tương ứng là ranh giới pha khí - lỏng và lỏng - khí, hoặc cũng còn được định nghĩa là đường bão hòa hơi và đường bão hòa lỏng. Đường cong VOL xây dựng từ các kết quả thực nghiệm của hỗn hợp hydrocacbon và được gọi là đường ranh giới kép, đi qua điểm tới hạn O. Đường thẳng mOn, tiếp tuyến với đường VOL tại điểm O được gọi là đường tới hạn. Bên trong đường cong VOL, hệ hydrocacbon ở trạng thái 2 pha (lỏng - khí) với nồng độ các pha biểu diễn qua các đường thẳng cân bằng pha nối giữa điểm Vi và Li xác định trên đường cong ranh giới kép. Hàm lượng thể tích của pha khí và pha lỏng trong vùng này được tính bằng tỷ số độ dài của điểm cân bằng pha tới đường bão hòa lỏng và bão hòa khí so với tổng độ dài của đường cân bằng pha.
Hàm lượng thể tích khí V1của hỗn hợp: K = L1K / L1V1
Hàm lượng thể tích lỏng L1của hỗn hợp: K = V1K/L1V1
Diện tích bên ngoài vùng 2 pha được gọi là vùng trộn lẫn do chỉ tồn tại 1 pha.
Một mẫu dầu được biểu diễn bởi điểm E trên biểu đồ sẽ đại diện cho dầu chứa phần lớn các thành phần nặng, ngược lại dầu tại điểm B được hiểu là dầu tương đối nhẹ.
Trong trường hợp thay đổi điều kiện nhiệt độ hoặc áp suất của hệ, đường ranh giới kép sẽ thay đổi vị trí, thể hiện sự thay đổi của các đường cong điểm bọt và
điểm sương. Thông thường, khi áp suất của hệ tăng lên trong điều kiện đẳng nhiệt, diện tích của vùng 2 pha có xu hướng giảm. Như vậy, tại điều kiện áp suất của hệ tăng cao, vùng diện tích tồn tại 1 pha tăng lên, hay nói cách khác nhiệt độ cao sẽ làm hiện tượng trộn lẫn giữa các thành phần dễ dàng xảy ra.
Hình 2. 8. Biểu đồ tam giác điển hình [52]
Quá trình trộn lẫn tiếp xúc nhiều lần của CO2
Sự trộn lẫn có được là do chuyển giao khối lượng của các thành phần trong hỗn hợp, sinh ra từ các điểm tiếp xúc giữa dầu và CO2bơm ép vào vỉa. Cơ chế trộn lẫn giữa CO2 và dầu vỉa mang đặc điểm chính của cơ chế khí bay hơi. Cơ chế trộn lẫn này của khí CO2 khác hẳn so với cơ chế trộn lẫn của khí hydrocacbon với dầu vỉa. Với CO2, cơ chế trộn lẫn động không yêu cầu phải thêm các thành phần nhẹ trong tác nhân bơm ép, cũng như không chịu ảnh hưởng nhiều từ các thành phần trung bình trong dầu. Trong khi đó, nếu dầu có chứa nhiều thành phần nhẹ thì bơm ép khí khô sẽ có áp suất trộn lẫn cao hơn nhiều so với bơm CO2 trong cùng điều kiện. Do vậy, áp suất cần thiết để có được sự trộn lẫn động của CO2 thường thấp điểm sương. Thông thường, khi áp suất của hệ tăng lên trong điều kiện đẳng nhiệt, diện tích của vùng 2 pha có xu hướng giảm. Như vậy, tại điều kiện áp suất của hệ tăng cao, vùng diện tích tồn tại 1 pha tăng lên, hay nói cách khác nhiệt độ cao sẽ làm hiện tượng trộn lẫn giữa các thành phần dễ dàng xảy ra.
Hình 2. 8. Biểu đồ tam giác điển hình [52]
Quá trình trộn lẫn tiếp xúc nhiều lần của CO2
Sự trộn lẫn có được là do chuyển giao khối lượng của các thành phần trong hỗn hợp, sinh ra từ các điểm tiếp xúc giữa dầu và CO2 bơm ép vào vỉa. Cơ chế trộn lẫn giữa CO2 và dầu vỉa mang đặc điểm chính của cơ chế khí bay hơi. Cơ chế trộn lẫn này của khí CO2 khác hẳn so với cơ chế trộn lẫn của khí hydrocacbon với dầu vỉa. Với CO2, cơ chế trộn lẫn động không yêu cầu phải thêm các thành phần nhẹ trong tác nhân bơm ép, cũng như không chịu ảnh hưởng nhiều từ các thành phần trung bình trong dầu. Trong khi đó, nếu dầu có chứa nhiều thành phần nhẹ thì bơm ép khí khô sẽ có áp suất trộn lẫn cao hơn nhiều so với bơm CO2 trong cùng điều kiện. Do vậy, áp suất cần thiết để có được sự trộn lẫn động của CO2 thường thấp điểm sương. Thông thường, khi áp suất của hệ tăng lên trong điều kiện đẳng nhiệt, diện tích của vùng 2 pha có xu hướng giảm. Như vậy, tại điều kiện áp suất của hệ tăng cao, vùng diện tích tồn tại 1 pha tăng lên, hay nói cách khác nhiệt độ cao sẽ làm hiện tượng trộn lẫn giữa các thành phần dễ dàng xảy ra.
Hình 2. 8. Biểu đồ tam giác điển hình [52]
Quá trình trộn lẫn tiếp xúc nhiều lần của CO2
Sự trộn lẫn có được là do chuyển giao khối lượng của các thành phần trong hỗn hợp, sinh ra từ các điểm tiếp xúc giữa dầu và CO2 bơm ép vào vỉa. Cơ chế trộn lẫn giữa CO2 và dầu vỉa mang đặc điểm chính của cơ chế khí bay hơi. Cơ chế trộn lẫn này của khí CO2 khác hẳn so với cơ chế trộn lẫn của khí hydrocacbon với dầu vỉa. Với CO2, cơ chế trộn lẫn động không yêu cầu phải thêm các thành phần nhẹ trong tác nhân bơm ép, cũng như không chịu ảnh hưởng nhiều từ các thành phần trung bình trong dầu. Trong khi đó, nếu dầu có chứa nhiều thành phần nhẹ thì bơm ép khí khô sẽ có áp suất trộn lẫn cao hơn nhiều so với bơm CO2 trong cùng điều kiện. Do vậy, áp suất cần thiết để có được sự trộn lẫn động của CO2 thường thấp
hơn là áp suất cần thiết cho việc trộn lẫn các khí khác như là khí tự nhiên, khí thải hay N2. Bằng việc sử dụng CO2thì các phân tử có khối lượng mol cao có thể được tách ra. Áp suất thấp và tách được nhiều thành phần hydrocacbon là ưu điểm chính của quá trình trộn lẫn CO2.
Cơ chế khí bay hơi là một trường hợp riêng của cơ chế trộn lẫn tiếp xúc nhiều lần [46], [49], [54] và dựa trên sự bay hơi của các thành phần trung bình trong dầu vỉa. Khi vùng chuyển tiếp trộn lẫn được tạo ra, các thành phần C2 - C6 được CO2
tách ra do áp suất bơm ép cao (CO2 có thể chiết tách được đến thành phần C30) và pha khí lúc này trở nên giàu thành phần trung bình hơn đồng thời tiếp tục di chuyển vào trong vỉa. Trong quá trình di chuyển tiếp theo, khí lại tiếp xúc thêm với dầu, nhận thêm thành phần trung bình và nặng của dầu để thành khí giàu hơn nữa. Quá trình làm giàu này cứ tiếp tục cho đến khi đạt trạng thái ổn định, đường hòa tan giữa khí được làm giàu và dầu vỉa ban đầu không đi qua vùng hai pha, khí sẽ hòa trộn hoàn toàn vào dầu tạo thành một pha duy nhất, quá trình trộn lẫn xảy ra. Quá trình trộn lẫn khí bay hơi có thể gần như thay thế toàn bộ dầu trong vùng mà nó tiếp xúc.
Tuy nhiên hệ số tiếp xúc với vỉa có thể thấp do tính bất đồng nhất của vỉa và các điều kiện chảy khác nhau. Quá trình yêu cầu phải có áp suất bề mặt dầu - khí cao, và dầu vỉa phải chứa các thành phần từ C2 - C6với nồng độ cao.
Quá trình trộn lẫn tiếp xúc nhiều lần của CO2được thể hiện rõ qua biểu đồ tam giác trên hình 2.9. Dầu vỉa ban đầu có thành phần là Mo, đường hòa tan nối giữa CO2 và Mo đi qua miền hai pha nên sẽ không xảy ra trộn lẫn trực tiếp. Sự tiếp xúc đầu tiên sẽ tạo ra hỗn hợp M1 chia làm hai pha, trong đó pha dầu có thành phần L1, pha khí có thành phần V1. Khí V1sẽ tiếp tục di chuyển và tạo ra sự tiếp xúc kế tiếp với dầu vỉa tạo ra hỗn hợp M2. Hỗn hợp M2 có thành phần pha dầu là L2 và pha khí là V2. Khí V2sau khi được tạo ra lại tiếp tục di chuyển và tiếp xúc với dầu vỉa tạo ra hỗn hợp M3 có thành phần dầu L3, khí V3... Quá trình cứ thế tiếp tục cho đến khi hỗn hợp tạo ra có thành phần Mn nằm tại điểm tới hạn của miền hai pha. Đường hòa tan nối khí Vnvới dầu vỉa lúc này sẽ không cắt qua vùng hai pha, quá trình trộn lẫn sẽ xảy ra do CO2được làm giàu bằng các thành phần trung bình và nặng của dầu vỉa.
Hình 2. 9. Quá trình trộn lẫn của CO2 vào dầu [54]