CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN KỸ THUẬT NÂNG CAO HỆ SỐ THU HỒI DẦU
1.2. Phân loại các biện pháp NCHSTHD
1.2.2. Nhóm các phương pháp hóa học
Nhóm các phương pháp này đã được nghiên cứu và phát triển ứng dụng từ nhiều thập kỷ và nói chung được hiểu là quá trình bơm vào vỉa chứa một hệ hóa học như polymer; hoạt tính bề mặt, dung dịch kiềm..., với mục tiêu gia tăng thu hồi dầu từ các hiệu ứng: (i) làm giảm độ linh động của pha đẩy; hoặc (ii) làm giảm sức căng bề mặt giữa 2 pha dầu và nước.
Hệ hóa học thường được gọi là thể mixen hoặc dung dịch vi nhũ tương, chủ yếu chứa các thành phần: hoạt tính bề mặt, chất đồng hoạt tính bề mặt, kiềm, hydrocacbon, nước và các thể hóa keo. Trong quá trình thực hiện, việc bơm ép dung dịch thể mixen thường được bơm kèm theo một dung dịch polymer nhằm duy trì độ linh động (thường được gọi là quá trình bơm mixen/polyme). Kết quả thống kê thực tế áp dụng (bảng 1.2) cho thấy hiệu quả thu hồi dầu của các phương pháp bơm ép
1. Vùng nước và khí bơm ép 2. Vùng hơi nước và khí
3. Vùng phía trước đốt cháy và vùng đốt cháy (600-1200oF) 4. Vùng hơi nước (400oF)
5. Vùng nước nóng hoặc nước ngưng tụ (hơn nhiệt độ ban đầu của vỉa từ 50-200oF) 6. Vùng dầu (gần nhiệt độ ban đầu của vỉa) 7. Khí đốt bị nguội
Giếng bơm ép Giếng khai thác
hóa chất nằm trong khoảng từ thấp (5% dầu tại chỗ ) tới tương đối lớn (15% dầu tại chỗ). Tuy vậy, hệ số sử dụng chỉ có ý nghĩa khi so sánh với giá thành các tác nhân hóa học, chẳng hạn như polymer luôn đắt hơn 3 tới 4 lần (theo khối lượng) so với chất hoạt tính bề mặt.
Bảng 1. 2. Các phương pháp hóa học trong nâng cao hệ số thu hồi dầu [52]
Phương pháp Cơ chế thu hồi Lượng thu hồi
gia tăng (%) Lượng hóa chất sử dụng
Polymer Cải thiện hệ số quét bằng cách giảm độ
linh động 5 0,14-0,23 kg
polymer/ thùng dầu khai thác thêm Polymer + hoạt tính
bề mặt
Giống như phương pháp polymer, ngoài
ra còn làm giảm áp suất mao dẫn
15
6,80-11,34 lb chất hoạt tính bề mặt/
thùng dầu khai thác thêm
Polymer + kiềm
Giống như polymer mixen, ngoài ra làm hòa tan dầu và thay đổi tính dính ướt
5 15,86-20,41kg hóa
chất/ thùng dầu khai thác thêm 1.2.2.1. Bơm ép polymer
Bơm ép polymer thực chất là pha một lượng nhỏ polymer vào nước bơm ép nhằm làm tăng độ nhớt của nước dẫn tới giảm độ linh động của pha đẩy dầu trong vỉa. Khi tỷ số độ linh động giảm xuống sẽ làm tăng hiệu quả đẩy quét theo cả diện và chiều thẳng đứng. Thực tế cho thấy, phương pháp bơm ép polymer có hiệu quả kinh tế trong trường hợp tỷ số độ linh động cao giữa dầu và nước vỉa, hoặc vỉa chứa có tính bất đồng nhất cao, hoặc kết hợp của cả hai yếu tố. Tuy nhiên, polymer có giá thành cao nên phương pháp bơm ép liên tục không được áp dụng mà thay vào đó là bơm một nút polymer có thể tích khoảng 25 - 40% thể tích rỗng, kèm theo sau là bơm ép nước.
Hình 1.6 biểu diễn sơ đồ của một quá trình bơm ép polymer thông thường và bao gồm: (1) nút đệm với độ muối thấp nhằm làm sạch lại vỉa sau quá trình bơm ép nước biển, tạo điều kiện ổn định cho polymer; (2) vùng dầu sẽ được khai thác thêm;
(3) Nút dung dịch polymer với mục đích cải thiện hệ số độ linh động; (4) nút đệm nước kỹ thuật nhằm ổn định nút polymer; và sau cùng là (5) bơm ép nước biển.
Hình 1. 6. Sơ đồ bơm ép polymer cho khai thác tam cấp (Theo DOE-2006) Trong một số trường hợp, nút đệm nước kỹ thuật thường sử dụng dung dịch polymer với nồng độ thấp nhằm giảm thiểu những bất lợi do sự thay đổi đột ngột hệ số độ linh động giữa dung dịch polymer và nút đệm. Do đặc trưng của quá trình thực hiện, bơm ép polymer thường được thực hiện giữa các cụm giếng bơm ép - khai thác riêng biệt, ít khi được thiết kế trên diện rộng.
Tiêu chí đánh giá lựa chọn phương pháp bơm ép polymer
Các kết quả thực tế áp dụng bơm ép polymer của gần 100 dự án trên toàn thế giới cho thấy chỉ có một vài dự án thành công về khía cạnh hiệu quả kinh tế [23], mặc dù phần lớn các trường hợp, polymer có tác dụng làm giảm hệ số nước-dầu trong dòng sản phẩm của giếng khai thác. Hệ số thu hồi dầu tăng trung bình vào khoảng 3,56% so với lượng dầu dư sau bơm ép nước và cần thiết bơm khoảng 1pound polymer cho 2,69 thùng dầu khai thác thêm. Kết quả tốt nhất của phương pháp này đạt được khi sử dụng ngay thời gian đầu của quá trình bơm ép nước, đồng thời các tiêu chí sau cần phải xem xét đến:
a) Độ nhớt của dầu nằm trong khoảng 20 tới 200cP b) Nhiệt độ vỉa chứa thấp hơn 105oC
c) Độ thấm lớn hơn 20mD
d) Trong trường hợp vỉa đang được áp dụng bơm ép nước, tỷ lệ nước-dầu cần thiết phải thấp hơn 20%.
Dầu
Nướcđẩy
Vùng đệm nước sạch để bảo vệ
Polymer
Dung dịch Polymer
để kiểm soát độ linh động
Lượng dầu thu hồi thêm
Chất lưu ở điều kiện
vỉa Giếng bơm ép
Giếng khai thác
1.2.2.2. Bơm ép chất hoạt tính bề mặt
Các chất hoạt tính bề mặt là thành phần chủ yếu của dung dịch bơm ép có khả năng giảm đáng kể sức căng bề mặt giữa 2 pha dầu và nước (nhỏ hơn 10E-3dyn/cm).
Tuy nhiên, phương pháp này không thật sự là hệ thống trộn lẫn nên không có khả năng đẩy hoàn toàn lượng dầu dư còn lại trong môi trường rỗng. Quá trình bơm ép chất hoạt tính bề mặt được biểu diễn trên hình 1.7.
Hình 1. 7. Sơ đồ bơm ép chất hoạt tính bề mặt (Theo DOE - 2006)
Trong phần lớn các trường hợp, bơm ép chất hoạt tính bề mặt thường được thực hiện vào cuối giai đoạn bơm ép nước và thực hiện khai thác vét lượng dầu tàn dư. Nút chất hoạt tính bề mặt là thành phần chính của quá trình bơm ép. Thể tích của nút hóa chất này là một trong những tham số quan trọng nhất và thường được lựa chọn vào khoảng 3% tới 30% thể tích môi trường rỗng mà nước bơm ép đã quét qua. Dung dịch chất hoạt tính bề mặt khi tiếp xúc với dầu tàn dư sẽ làm giảm sức căng bề mặt của pha dầu và làm cho lượng dầu bị bẫy lại này có thể tiếp tục di chuyển, bị dồn lại thành một đới dầu ở ngay phía trước nút dung dịch hoạt tính bề mặt. Thực nghiệm cho thấy rằng chất hoạt tính bề mặt cũng làm giảm sức căng bề mặt của nước vỉa, bởi vậy nút dung dịch hoạt tính bề mặt đẩy cả dầu và nước vỉa di chuyển trong đới dầu.
Nướcđẩy
Vùng đệm nước sạch để bảo vệ
Polymer
Dung dịch Polymer để kiểm soát độ linh động
Chất hoạt tính bề
mặt
Lượng dầu thu hồi thêm
Chất lưu ở điều kiện
vỉa Giếng bơm ép
Giếng khai thác
Nút dung dịch chất hoạt tính bề mặt di chuyển và đẩy đới dầu-nước về phía giếng khai thác. Do cuối giai đoạn bơm ép nước nên giếng khai thác có sản lượng dầu rất thấp ở thời kỳ đầu bơm ép chất hoạt tính bề mặt. Sản lượng dầu vẫn không được cải thiện cho đến khi đới dầu được dồn đẩy tới giếng khai thác và vỉa sẽ cạn kiệt khi nút HTBM bắt đầu chảy vào trong giếng (hình 1.8 - thực hiện trên mẫu lõi granit). Tỷ phần thu hồi dầu ở đầu ra của mẫu được biễu diễn theo lượng dung dịch HTBM được bơm vào mẫu. Trong thử nghiệm này, đới dầu được đẩy dồn có giá trị bão hòa dầu tương đối ổn định cho đến thời điểm bơm dung dịch HTBM được 0,8 lần thể tích lỗ rỗng.
Hình 1. 8. Kết quả thí nghiệm bơm ép chất HTBM qua mẫu lõi (theo EPC-Lab) Dung dịch HTBM cần phải được thiết kế với hệ số độ linh động thích hợp giữa nút HTBM và đới dầu. Độ nhớt của dung dịch HTBM được dùng để thiết lập độ linh động cần thiết. Hiện nay, polymer thường được sử dụng cùng với dung dịch HTBM nhằm tăng độ nhớt biểu kiến, dẫn tới làm tăng đồng thời hiệu quả quét thể tích và hiệu quả đẩy dầu trong hệ thống lỗ rỗng.
Ngay phía sau của nút dung dịch HTBM, nút dung dịch đệm được sử dụng để điều chỉnh hệ số độ linh động. Nút dung dịch đệm này thường sử dụng là polymer với nồng độ từ 250 cho tới 2.500ppm, có thể là polyacrylamit hoặc polymer sinh học kết hợp với các chất diệt vi sinh nhằm đảm bảo polymer không bị phá hủy. Thể tích của nút dung dịch đệm thường rất lớn, nên có thể sử dụng với nồng độ giảm dần theo thể tích bơm ép cho đến lượng bơm cuối cùng là nước kỹ thuật.
Nút dung dịch chất hoạt tính bề mặt di chuyển và đẩy đới dầu-nước về phía giếng khai thác. Do cuối giai đoạn bơm ép nước nên giếng khai thác có sản lượng dầu rất thấp ở thời kỳ đầu bơm ép chất hoạt tính bề mặt. Sản lượng dầu vẫn không được cải thiện cho đến khi đới dầu được dồn đẩy tới giếng khai thác và vỉa sẽ cạn kiệt khi nút HTBM bắt đầu chảy vào trong giếng (hình 1.8 - thực hiện trên mẫu lõi granit). Tỷ phần thu hồi dầu ở đầu ra của mẫu được biễu diễn theo lượng dung dịch HTBM được bơm vào mẫu. Trong thử nghiệm này, đới dầu được đẩy dồn có giá trị bão hòa dầu tương đối ổn định cho đến thời điểm bơm dung dịch HTBM được 0,8 lần thể tích lỗ rỗng.
Hình 1. 8. Kết quả thí nghiệm bơm ép chất HTBM qua mẫu lõi (theo EPC-Lab) Dung dịch HTBM cần phải được thiết kế với hệ số độ linh động thích hợp giữa nút HTBM và đới dầu. Độ nhớt của dung dịch HTBM được dùng để thiết lập độ linh động cần thiết. Hiện nay, polymer thường được sử dụng cùng với dung dịch HTBM nhằm tăng độ nhớt biểu kiến, dẫn tới làm tăng đồng thời hiệu quả quét thể tích và hiệu quả đẩy dầu trong hệ thống lỗ rỗng.
Ngay phía sau của nút dung dịch HTBM, nút dung dịch đệm được sử dụng để điều chỉnh hệ số độ linh động. Nút dung dịch đệm này thường sử dụng là polymer với nồng độ từ 250 cho tới 2.500ppm, có thể là polyacrylamit hoặc polymer sinh học kết hợp với các chất diệt vi sinh nhằm đảm bảo polymer không bị phá hủy. Thể tích của nút dung dịch đệm thường rất lớn, nên có thể sử dụng với nồng độ giảm dần theo thể tích bơm ép cho đến lượng bơm cuối cùng là nước kỹ thuật.
Nút dung dịch chất hoạt tính bề mặt di chuyển và đẩy đới dầu-nước về phía giếng khai thác. Do cuối giai đoạn bơm ép nước nên giếng khai thác có sản lượng dầu rất thấp ở thời kỳ đầu bơm ép chất hoạt tính bề mặt. Sản lượng dầu vẫn không được cải thiện cho đến khi đới dầu được dồn đẩy tới giếng khai thác và vỉa sẽ cạn kiệt khi nút HTBM bắt đầu chảy vào trong giếng (hình 1.8 - thực hiện trên mẫu lõi granit). Tỷ phần thu hồi dầu ở đầu ra của mẫu được biễu diễn theo lượng dung dịch HTBM được bơm vào mẫu. Trong thử nghiệm này, đới dầu được đẩy dồn có giá trị bão hòa dầu tương đối ổn định cho đến thời điểm bơm dung dịch HTBM được 0,8 lần thể tích lỗ rỗng.
Hình 1. 8. Kết quả thí nghiệm bơm ép chất HTBM qua mẫu lõi (theo EPC-Lab) Dung dịch HTBM cần phải được thiết kế với hệ số độ linh động thích hợp giữa nút HTBM và đới dầu. Độ nhớt của dung dịch HTBM được dùng để thiết lập độ linh động cần thiết. Hiện nay, polymer thường được sử dụng cùng với dung dịch HTBM nhằm tăng độ nhớt biểu kiến, dẫn tới làm tăng đồng thời hiệu quả quét thể tích và hiệu quả đẩy dầu trong hệ thống lỗ rỗng.
Ngay phía sau của nút dung dịch HTBM, nút dung dịch đệm được sử dụng để điều chỉnh hệ số độ linh động. Nút dung dịch đệm này thường sử dụng là polymer với nồng độ từ 250 cho tới 2.500ppm, có thể là polyacrylamit hoặc polymer sinh học kết hợp với các chất diệt vi sinh nhằm đảm bảo polymer không bị phá hủy. Thể tích của nút dung dịch đệm thường rất lớn, nên có thể sử dụng với nồng độ giảm dần theo thể tích bơm ép cho đến lượng bơm cuối cùng là nước kỹ thuật.
Tiêu chí lựa chọn
Phương pháp bơm ép chất HTBM đã được thử nghiệm rộng rãi tại một số mỏ, tuy nhiên việc áp dụng thực tế vẫn còn ít do phức tạp khi áp dụng và chi phí cho bơm ép còn quá cao. Đây được coi là phương pháp NCHSTHD phức tạp nhất và yêu cầu chi phí đầu tư lớn nhất trong khi rủi ro lại rất cao. Do vậy, thời gian gần đây, mức độ hấp dẫn của phương pháp này bị giảm đi và thay vào đó là phương pháp nhiệt. Mặc dù vậy, nhóm phương pháp hóa học nói chung lại thích hợp nhất cho các vỉa có dầu nhẹ.