CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN KỸ THUẬT NÂNG CAO HỆ SỐ THU HỒI DẦU
1.2. Phân loại các biện pháp NCHSTHD
1.2.1. Nhóm các phương pháp nhiệt
Các phương pháp nhiệt áp dụng trong NCHSTHD dựa trên nguyên tắc sử dụng nhiệt năng với mục đích làm tăng nhiệt độ vỉa chứa, dẫn tới làm giảm độ nhớt của dầu vỉa đồng thời đẩy dầu về phía giếng khai thác. Trên thế giới, trong thời gian trên 50 năm qua, đã có 3 dạng bơm ép nhiệt được áp dụng thương mại cho NCHSTHD bao gồm bơm ép hơi nước, bơm ép nước nóng và đốt tại chỗ. Sự hiện diện của các vỉa chứa khổng lồ ở một số vùng với mức độ hàng tỷ thùng dầu nặng và siêu nặng đã và đang là động lực thúc đẩy sự phát triển của phương pháp nhiệt.
Cho đến thời gian hiện nay, NCHSTHD bằng phương pháp nhiệt được áp dụng nhiều nhất và trong năm 2008 chiếm 70% lượng dầu khai thác hàng ngày tương đương 1,26 tỷ thùng dầu/ngày [23].
Nhóm các phương pháp nhiệt phù hợp cho nhiều loại vỉa chứa, đặc biệt là cát kết. Bảng 1.1 tổng kết các tiêu chí đánh giá khả năng áp dụng phương pháp nhiệt theo điều kiện vỉa. Trong số các tiêu chí này có 3 thông số cơ bản nhất cần phải được xem xét trước khi lựa chọn: độ sâu, áp suất vỉa và độ thấm trung bình của vỉa.
Bảng 1. 1. Điều kiện các tham số cho phương pháp nhiệt [52]
Tham số Phương pháp bơm hơi
nước Phương pháp đốt tại
Tỷ trọng dầu,oAPI 10-34 10-35chỗ
Độ nhớt dầu, cP tới 15.000 tới 5.000
Chiều sâu, ft <3.000 <11.500
Chiều dày vỉa, ft >20 >0,2
Nhiệt độ vỉa,oF - -
Độ rỗng, p.đ.v >0,20 >0,20
Độ thấm trung bình, mD 250 35
Áp suất vỉa, psi <1.500 <2.000
Bão hòa dầu , p.đ.v >0,1 0,08
Phương pháp bơm ép hơi nước bị hạn chế độ sâu vào khoảng 1000m do lượng nhiệt tiêu hao trong quá trình bơm ép từ miệng giếng vào vỉa chứa. Trong trường hợp bọc cách nhiệt cột ống bơm ép thì chiều sâu của vỉa có thể sâu hơn nhưng cũng không quá 1500m. Trong khi đó độ sâu áp dụng của phương pháp đốt nhiệt tại chỗ được giới hạn ở độ sâu 3500m do khả năng bơm ép không khí vào vỉa có áp suất cao và lượng dầu cần thiết dùng để tạo vùng cháy.
Trong thực tế, các phương pháp NCHSTHD bằng nhiệt chủ yếu dựa trên nguyên tắc: độ nhớt của dầu sẽ giảm đáng kể khi nhiệt độ tăng lên. Do vậy, phương pháp nhiệt chủ yếu được áp dụng cho các loại dầu vỉa có độ nhớt cao tới 15.000cP.
1.2.1.1. Phương pháp bơm ép hơi nước.
Bơm ép hơi nước là một trong 3 phương pháp nhiệt trong NCHSTHD, thường được áp dụng nhằm cung cấp nhiệt năng làm tăng nhiệt độ vỉa chửa đồng thời cung cấp năng lượng để đẩy dầu tới giếng khai thác. Nhiệt năng có tác dụng làm giảm độ nhớt và dẫn tới làm tăng độ linh động của dầu vỉa. Trong bơm ép hơi nước, có 2 mô
hình cơ bản được áp dụng bao gồm: (i) bơm ép đẩy dầu trong sơ đồ các giếng bơm ép - giếng khai thác; hoặc (ii) bơm ép hơi nước và khai thác dầu trong cùng một giếng ở các chu kỳ khác nhau (bơm ép - ngâm - khai thác).
Sơ đồ mặt cắt mô tả cơ chế đẩy dầu bằng bơm ép hơi nước giữa 2 giếng bơm ép - khai thác được biểu diễn trên hình 1.2, với tính chất vỉa được giả định là đồng nhất về rỗng-thấm.
Hình 1. 2. Sơ đồ đẩy dầu bằng phương pháp bơm hơi nước (Theo DOE-2006) Ngoài ra phương pháp bơm ép này còn có một số cơ chế làm tăng hệ số thu hồi dầu. Trong vùng 3 (vùng chuyển tiếp), do có nhiệt độ cao nên dầu bị trương nở nhiệt và làm tăng thể tích dầu linh động dẫn tới làm giảm thể tích dầu tàn dư trong vỉa. Trong vùng 2, dầu bị đẩy bởi hơi nước bơm ép vào, đồng thời hiệu ứng chưng cất dầu cũng xảy ra do có nhiệt độ cao. Thành phần nhẹ có trong dầu tách ra và ngưng tụ lại ở vùng 1, tiếp tục làm hòa tan dầu vỉa. Đây chính là hiệu quả của quá trình bơm ép nút dung môi làm giảm bão hòa dầu tàn dư, làm giảm độ nhớt và cải thiện hệ số đẩy dầu do độ linh động được tăng lên.
Do có tỷ trọng thấp nên hơi nước có xu hướng di chuyển lên phía trên của vỉa và nhanh chóng tiến về phía giếng khai thác. Như vậy sẽ chỉ có khoảng 30% thể tích ở phần trên của vỉa chứa là được hơi nước quét qua. Để khắc phục hiện tượng này, giếng bơm ép chỉ được mở vỉa một phần ở phía bên dưới của vỉa.
Giếng bơmép
hơi nước Giếng khai
thác
Hơi nước và
nước ngưng tụ Nước nóng
Vùng dầu và nước tại nhiệt độ vỉa ban đầu Vùngdầu
1.2.1.2. Phương pháp bơm ép hơi nước theo chu kỳ
Bơm ép hơi nước theo chu kỳ được thực hiện lần đầu tiên vào năm 1957 tại mỏ Mene Grande (Venezuela), sau đó phát triển mạnh mẽ tại California, Mỹ và hiện đang được sử dụng rộng rãi đối với dầu nặng do tính dễ dàng áp dụng, ngay cả khi giếng có sản lượng rất thấp hoặc dừng khai thác với đầu tư ban đầu thấp.
Phương pháp này được thực hiện chỉ trong 1 giếng khoan và bao gồm các giai đoạn: bơm ép nhiệt vào giếng đang khai thác với thời gian 2 tới 6 tuần; đóng giếng và ngâm trong thời gian 3 tới 6 ngày; và sau đó đưa giếng khai thác trở lại trong thời gian vài tháng với sản lượng cao hơn nhiều so với bơm ép nước hoặc dãn áp tự nhiên (hình 1.3).
Hình 1. 3. Sơ đồ phương pháp bơm ép hơi nước theo chu kỳ (Theo DOE-2006)
Hình 1. 4. Động thái khai thác của giếng áp dụng bơm ép hơi theo chu kỳ
Hơi nước Nước+Dầu
1.2.1.2. Phương pháp bơm ép hơi nước theo chu kỳ
Bơm ép hơi nước theo chu kỳ được thực hiện lần đầu tiên vào năm 1957 tại mỏ Mene Grande (Venezuela), sau đó phát triển mạnh mẽ tại California, Mỹ và hiện đang được sử dụng rộng rãi đối với dầu nặng do tính dễ dàng áp dụng, ngay cả khi giếng có sản lượng rất thấp hoặc dừng khai thác với đầu tư ban đầu thấp.
Phương pháp này được thực hiện chỉ trong 1 giếng khoan và bao gồm các giai đoạn: bơm ép nhiệt vào giếng đang khai thác với thời gian 2 tới 6 tuần; đóng giếng và ngâm trong thời gian 3 tới 6 ngày; và sau đó đưa giếng khai thác trở lại trong thời gian vài tháng với sản lượng cao hơn nhiều so với bơm ép nước hoặc dãn áp tự nhiên (hình 1.3).
Hình 1. 3. Sơ đồ phương pháp bơm ép hơi nước theo chu kỳ (Theo DOE-2006)
Hình 1. 4. Động thái khai thác của giếng áp dụng bơm ép hơi theo chu kỳ
Hơi nước Nước+Dầu
1.2.1.2. Phương pháp bơm ép hơi nước theo chu kỳ
Bơm ép hơi nước theo chu kỳ được thực hiện lần đầu tiên vào năm 1957 tại mỏ Mene Grande (Venezuela), sau đó phát triển mạnh mẽ tại California, Mỹ và hiện đang được sử dụng rộng rãi đối với dầu nặng do tính dễ dàng áp dụng, ngay cả khi giếng có sản lượng rất thấp hoặc dừng khai thác với đầu tư ban đầu thấp.
Phương pháp này được thực hiện chỉ trong 1 giếng khoan và bao gồm các giai đoạn: bơm ép nhiệt vào giếng đang khai thác với thời gian 2 tới 6 tuần; đóng giếng và ngâm trong thời gian 3 tới 6 ngày; và sau đó đưa giếng khai thác trở lại trong thời gian vài tháng với sản lượng cao hơn nhiều so với bơm ép nước hoặc dãn áp tự nhiên (hình 1.3).
Hình 1. 3. Sơ đồ phương pháp bơm ép hơi nước theo chu kỳ (Theo DOE-2006)
Hình 1. 4. Động thái khai thác của giếng áp dụng bơm ép hơi theo chu kỳ
Hơi nước Nước+Dầu
Số liệu thực tế của một giếng điển hình (hình 1.4) cho thấy hiệu quả khai thác ở chu kỳ đầu tiên bơm ép hơi nước có thể gấp 8 đến 10 lần so với sản lượng khai thác khi bơm ép nước thông thường. Thời gian khai thác của các chu kỳ sau thường ngắn hơn và sản lượng thấp hơn so với chu kỳ đầu tiên, nhưng sản lượng khai thác dầu vẫn cao hơn nhiều so với khai thác thứ cấp. Chu kỳ đầu tiên có sản lượng cao nhất được giải thích là do ảnh hưởng tích cực từ tác động của nhiệt làm giảm độ nhớt của dầu và làm sạch vùng lân cận đáy giếng do sa lắng asphanten, paraphin.
Ngoài ra, áp suất vỉa cũng được tăng lên do bơm ép hơi nước, cải thiện hiệu quả đẩy dầu từ vỉa vào giếng.
Phương pháp này rất hiệu quả, đặc biệt khi áp dụng cho các vỉa có độ liên thông kém hoặc độ bất đồng nhất cao.
1.2.1.3. Phương pháp đốt nhiệt tại chỗ
Về cơ bản, quá trình đốt nhiệt tại chỗ là sự di chuyển chậm của đới đốt cháy từ giếng bơm ép cho tới một hoặc nhiều giếng khai thác. Quá trình được bắt đầu bởi việc bơm ép không khí vào trong giếng nằm ở trung tâm của sơ đồ bơm ép với các giếng khai thác ở xung quanh. Sau khi được đốt cháy, đới nóng (từ 300oC tới 800oC) sẽ tỏa ra từ tâm là giếng bơm ép. Các tác nhân hỗ trợ cho sự cháy trong vỉa có thể là không khí, khí tự nhiên. Nhiệt độ cao làm giảm độ nhớt, đồng thời làm tăng tính linh động của dầu; Hệ số quét tăng lên đồng thời làm giảm độ bão hòa dầu; Hóa hơi hoặc tạo khí các chất lưu trong vỉa; Tạo ra các chất lỏng có tác dụng trộn lẫn bằng cách ngưng tụ các thành phần nhẹ của dầu đã hóa hơi.
Trong khi đới nóng di chuyển chậm trong vỉa chứa, các vùng nhiệt với nhiệt độ khác nhau được tạo ra và các vùng này có các cơ chế tác động vào vỉa khác nhau.
Trên hình 1.5 mô tả mặt cắt phát triển của đới nóng trong khoảng giữa 2 giếng bơm ép và khai thác cùng với nhiệt độ tương ứng với các phần trong mặt cắt nhiệt.
Tác động đẩy dầu bằng hơi nước ngưng tụ: Khi không khí được nén vào vỉa và làm nhiên liệu cho đới đốt cháy sẽ tạo ra hơi nước từ cả không khí và nước vỉa. Sau khi thành tạo và di chuyển về phía trước, lượng hơi nước bị mất nhiệt một cách nhanh chóng và ngưng tụ lại thành nước nóng. Lượng nhiệt còn lại của nước ngưng
tụ là thành phần năng lượng chính để đẩy dầu cùng với hiệu ứng làm giảm độ nhớt, tăng độ linh động của dầu.
Hình 1. 5. Sơ đồ đẩy dầu bằng phương pháp đốt nhiệt tại chỗ (Theo DOE-2006) Tác động trộn lẫn và đẩy bằng khí: Lượng khí hydrocacbon và CO2 tạo thành từ đới đốt cháy còn góp phần đẩy dầu và làm giảm độ nhớt của dầu do trộn lẫn hoặc ngưng tụ khí ngay trong đới chứa dầu.