ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT VÀ DẦU KHÍ
----------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT BƠM ÉP KHÍ CO2 BẰNG
PHƯƠNG PHÁP BƠM ÉP KHÍ NƯỚC LUÂN PHIÊN ĐỂ TĂNG
CƯỜNG THU HỒI DẦU MỎ SR, BỂ CỬU LONG

SVTH: LÊ QUỐC NAM
MSSV: 31002017
CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA CHẤT DẦU KHÍ
CBHD: TSKH. NGUYỄN XUÂN HUY
KS. NGUYỄN LÂM QUỐC CƯỜNG

TP. Hồ Chí Minh tháng 12 năm 2014

SVTH: Lê Quốc Nam

1


MỤC LỤC

MỤC LỤC ....................................................................................................................... i
GIỚI THIỆU ................................................................................................................... i
1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................iv
2. Mục đích của đề tài .................................................................................................iv
3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ......................................................... v

PHIÊN (WAG) ............................................................................................................. 13
3.1. Các giai đoạn thu hồi dầu ....................................................................................13
3.1.1. Thu hồi dầu sơ cấp ........................................................................................ 13
3.1.2. Thu hồi dầu thứ cấp ...................................................................................... 13
3.1.3. Thu hồi dầu tam cấp ..................................................................................... 14
3.2. Tổng quan về bơm ép khí bằng phương pháp WAG ..........................................18
3.3. Phân loại bơm ép khí ........................................................................................... 20
3.3.1. Bơm ép khí bằng phương pháp WAG trộn lẫn (WAG miscible) .................20
3.3.2. Bơm ép khí bằng phương pháp WAG không trộn lẫn (WAG immiscible) ..26
3.4. Yếu tố ảnh hưởng đến hệ số thu hồi dầu trong bơm ép WAG............................ 27
3.4.1. Đặc tính của vỉa ............................................................................................ 27
3.4.2. Đặc tính của lưu chất ....................................................................................33
3.4.3. Thông số của vận hành WAG .......................................................................34
3.5. Thuận lợi và khó khăn của kỹ thuật bơm ép khí nước luân phiên (WAG) .........40
3.5.1. Thuận lợi .......................................................................................................40
3.5.2. Khó khăn .......................................................................................................41
CHƯƠNG 4: KHÁI QUÁT KHU VỰC VÀ TÌNH TRẠNG KHAI THÁC TẠI
KHU VỰC LẤY MẪU LÕI ........................................................................................ 42
4.1. Khái quát chung về mỏ SR .................................................................................42
4.2. Đặc trưng địa chất của tầng chứa mỏ SR ............................................................ 43
SVTH: Lê Quốc Nam

ii


4.3. Trữ lượng dầu khí tại chỗ và trữ lượng thu hồi...................................................43
4.4. Thực trạng khai thác tầng chứa Miocene hạ ....................................................... 43
4.5. Các phương pháp tăng cường thu hồi dầu phổ biến ở Việt Nam........................ 43
4.6. Nghiên cứu lựa chọn phương pháp tăng cường thu hồi dầu cho tầng chứa. ......44
4.7. Lựa chọn khí CO2 sử dụng trong phương pháp bơm ép WAG. .......................... 45

SVTH: Lê Quốc Nam

iv


Giới thiệu

GIỚI THIỆU
Trong quá trình khai thác mỏ dầu thông thường, lượng dầu sót lại sau giai đoạn khai
thác sơ cấp và thứ cấp là rất lớn. Một phần đáng kể lượng dầu dư này có thể được thu
hồi đạt được lợi ích kinh tế bằng phương pháp bơm ép khí (Shahverdi, Sohrabi, và
Fatemi, 2013). Theo thống kê của Oil & Gas Journal (Guntis Moritis, 14 May 2001) cho thấy
rằng bơm ép khí CO2 đã và đang được áp dụng thành công tại Hoa Kỳ. Các dự án bơm

ép khí CO2 ngày càng được mở rộng về cả quy mô lẫn số lượng dự án với 80 dự án đang
được vận hành trên tổng số 160 dự án EOR (Oil and Gas Journal, 4/2002). Tính đến
năm 2002, sản lượng khai thác dầu bằng bơm ép khí CO2 chiếm 28% tổng sản lượng
thu hồi bằng các phương pháp EOR, khoảng 3.3% tổng sản lượng dầu thu hồi của Hoa
Kỳ. CO2 được xem như là một dung môi tuyệt vời cho bơm ép CO2 trộn lẫn. Nhưng nó
cũng tồn tại những ưu và nhược điểm cần được lưu ý khi sử dụng chúng trong một dự
án EOR.
Do đó, để khắc phục những nhược điểm của bơm ép khí CO2 thuần túy vốn có độ
linh động rất cao của khí CO2, kỹ thuật bơm ép khí nước luân phiên (Water Alternating
Gas) được đề xuất và áp dụng. Bơm ép khí luân phiên nước (WAG) còn được gọi là
bơm ép kết hợp khí-nước (Combined gas and water injection: CGW) là một phương
pháp tăng cường thu hồi dầu (EOR) mà bơm ép khí-nước được thực hiện luân phiên tại
một vỉa trong một khoảng thời gian để cung cấp hiệu quả quét vi mô lẫn hiệu suất vĩ mô
và làm giảm tác động của hiện tượng phân dị trọng lực (Mahli & Scrivastava, 2012).
Thể tích bơm ép luân phiên của khí và nước làm gia tăng khả năng kiểm soát tính linh
động và ổn định đới phía trước chuyển dịch (Stenby, Skauge, & Christensen, 2001).

Điều này dẫn đến rất nhiều thí nghiệm, mô hình hóa và mô phỏng số vào phương pháp
phục hồi WAG ngày càng được nghiên cứu rộng rãi.
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến bơm ép WAG là tính dính ướt của vỉa, độ bất đồng
nhất của vỉa, tính chất đá chứa, đặc tính lưu chất, kỹ thuật bơm ép và các thông số vận
hành WAG (tỷ lệ WAG, thể tích chất lưu bơm ép, và chu kỳ) (Righi & Pascual, 2007).
Phương pháp WAG đã được áp dụng thành công cho các vỉa dầu có độ thấm cao lẫn
những vỉa có độ thấm rất thấp (Stenby et al, 2001).
Tại Việt Nam, mặc dù có rất nhiều công trình nghiên cứu về thu hồi dầu tăng cường
nhưng đến nay những dự án được ứng dụng vào thực tế còn hạn chế. Tính đến hiện tại,
chỉ có một dự án bơm ép thử nghiệm khí hydrocarbon luân phiên nước tại mỏ Rạng
Đông, Việt Nam, điều hành bởi công ty Japan Vietnam Petroleum Corporation (JVPC).
Mỏ Rạng Đông bắt đầu khai thác từ tháng 8/1998 tại hai đối tượng chính là đá cát kết
tuổi Mioxen và đá móng nứt nẻ. Tính đến năm 2010, mỏ đã khai thác được khoảng 82
triệu thùng dầu và 80 triệu bộ khối khí từ tầng chứa Mioxen hạ với hệ số thu hồi dầu
SVTH: Lê Quốc Nam

ii


Giới thiệu
cuối cùng là 26,7%. Sản lượng khai thác trung bình hiện nay tại đối tượng này khoảng
16.000 thùng dầu/ngày và 15 triệu bộ khối khí ngày, độ ngập nước trung bình khoảng
55% . Bơm ép nước được tiến hành từ năm 2006 và cho đến nay mỏ đang trong giai
đoạn suy giảm sản lượng. Theo đánh giá ban đầu, hiệu quả của phương pháp bơm ép
WAG có thể làm tăng thêm thu hồi dầu tại đối tượng này khoảng 10 triệu thùng trong
giai đoạn 2011-2020, tương đương với tổng thu hồi đạt khoảng 35%. Phương pháp bơm
ép WAG đã được nghiên cứu thí nghiệm với MMP của khí đồng hành là khoảng 4800
psig (331 bar) (Phạm Đức Thắng, 2014).

SVTH: Lê Quốc Nam

Đánh giá khả năng trương nở của dầu tại mỏ SR khi trộn lẫn với khí CO2 trong thí
nghiệm hòa tan-trương nở (Solubility-Swelling Experiment) và tìm áp suất trộn lẫn tối
thiểu (Minimum Miscibility Pressure) phục vụ thí nghiệm bơm ép khí CO2 luân phiên
nước (WAG).

SVTH: Lê Quốc Nam

iv


Giới thiệu
Khảo sát khả năng cải thiện của hệ số thu hồi cuối cùng bằng cách sử dụng bơm ép
kết hợp khí CO2 và nước trên mẫu lõi với quy mô phòng thí nghiệm.
Hệ số thu hồi dầu thông qua bơm ép WAG sau bơm ép nước, bơm ép nước và bơm
ép WAG trước bơm ép nước được xác định và trình bày kết trên đồ thị thời gian.
3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng được khảo sát là mẫu lõi của mỏ SR, Bể Cửu Long.
Kỹ thuật bơm ép WAG tiến hành thí nghiệm trên mẫu lõi để đánh giá khả năng thu
hồi dầu tại những thời điểm bơm ép khác nhau (trước khi bơm ép nước thứ cấp, sau khi
bơm ép nước thứ cấp).
4. Phương pháp nghiên cứu
Tổng hợp và phân tích các tài liệu về các phương pháp thu hồi dầu tăng cường, các
thí nghiệm EOR, tài liệu lịch sử khai thác của mỏ SR, Bể Cửu Long. Tổng hợp các kết
quả thí nghiệm Hòa tan-Trương nở (Solubility Swelling Experiment), thí nghiệm tìm
MMP, thí nghiệm WAG trên mẫu lõi.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
5.1. Ý nghĩa khoa học
Luận văn nghiên cứu áp dụng kỹ thuật khai thác hợp lý nhằm tận thu dầu tầng chứa
cát kết Miocene hạ, mỏ SR từ nghiên cứu lý thuyết đến kết quả thực nghiệm trong phòng
thí nghiệm.

điểm sau bơm ép nước sẽ tận thu thêm được 17,9%.
7. Khối lượng và cấu trúc luận văn
Luận văn bao gồm phần giới thiệu, danh sách hình ảnh, bảng biểu, công thức và danh
sách viết tắt; 6 chương nội dung và tài liệu tham khảo.

SVTH: Lê Quốc Nam

vi


Danh sách hình ảnh

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Mô tả dòng chảy trong môi trường lỗ rỗng của bơm ép nước và khí ..... T 2
Hình 1.2: Hiện tượng tỏa ngón tại tỷ số linh động (M) khác nhau theo Habermann
(1960)........................................................................................................................... T 4
Hình 1.3: Ảnh hưởng của tỷ số linh động lên hiệu suất thu hồi của bơm ép ngập
nước (S.M. Farouq Ali and S. Thomas, 1994) ............................................................ T 5
Hình 1.4: Hiệu suất đẩy và hiệu suất quét............................................................... T 5
Hình 2.1: Biểu đồ pha CO2 ..................................................................................... T 7
Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn độ hòa tan CO2 vào nước theo nhiệt độ và áp suất ...... T.8
Hình 2.3: Độ hòa tan của hydrocarbon ................................................................ T. 11
Hình 3.1: Sơ đồ các phương pháp thu hồi dầu tăng cường ................................... T 16
Hình 3.2: Sơ đồ bơm ép WAG .............................................................................. T 17
Hình 3.3: Đồ thị ba thành phần ............................................................................. T 21
Hình 3.4: Biều đồ pha ba thành phần nhẹ (1), trung bình (2) và nặng (3) ............ T 22
Hình 3.5: Đồ thị pha ba thành phần cơ chế hóa hơi .............................................. T 24
Hình 3.6: Đồ thị pha ba thành phần cơ chế khí ngưng tụ ..................................... T 25
Hình 3.7: Mô tả cơ chế bơm ép khí không trộn lẫn qua mô hình kênh rỗng đôi .. T 27

suất (psig) .................................................................................................................. T 65
Hình 5.13: Đồ thị biểu diễn đường thu hồi dầu tích dồn và đường tỷ số khí-dầu tại
cấp áp suất 2500 psig ................................................................................................. T 66
Hình 5.14: Đồ thị biểu diễn đường thu hồi dầu tích dồn và đường tỷ số khí-dầu tại
cấp áp suất 2650 psig ................................................................................................. T 67
Hình 5.15: Đồ thị biểu diễn đường thu hồi dầu tích dồn và đường tỷ số khí-dầu tại
cấp áp suất 2800 psig ................................................................................................. T 68

SVTH: Lê Quốc Nam

vii


Danh sách hình ảnh
Hình 5.16: Đồ thị biểu diễn đường thu hồi dầu tích dồn và đường tỷ số khí-dầu tại
cấp áp suất 2950 psig ................................................................................................. T 69
Hình 5.17: Đồ thị biểu diễn đường thu hồi dầu tích dồn và đường tỷ số khí-dầu tại
cấp áp suất 3100 psig ................................................................................................. T 70
Hình 5.18: Sơ đồ hệ thống bơm ép ngập mẫu ....................................................... T 72
Hình 5.19: Bộ đo chênh áp (A: Differential Pressure Transducer)....................... T 73
Hình 5.20: Mẫu lõi bọc nhựa dài 6ft (B: 6-ft Core with Epoxy Coating)............. T 73
Hình 5.21: Giá đỡ mẫu lõi 1 ft (B: 1ft Core holder) ............................................. T 74
Hình 5.22: Bình chứa chuyển đổi chất lưu (Fluid Transfer Vessel) (C) ............... T 74
Hình 5.23: Bơm đẩy đẳng áp Ruska (D: Ruska Positive Displacement Pump) ... T 75
Hình 5.24: Thiết bị điều chỉnh đối áp (E: Backpressure Regulator) ..................... T 75
Hình 5.25: Máy bơm rửa mẫu (F: Cleanup Centrifugal Pump) ............................ T 76
Hình 5.26: Cân điện tử (G: Electronic Balances) ................................................. T 76
Hình 5.27: Thiết bị thu thập dữ liệu
(H: Field Point Data Acquisition Hardware) ............................................................. T 76
Hình 5.28: Thiết bị đọc áp suất (I: Pressure Readout) .......................................... T 77

Bảng 5.8: Các thông số áp dụng vào bơm ép WAG ............................................. T 83
Bảng 5.9: Bảng tóm tắt kết quả thí nghiệm........................................................... T 84

SVTH: Lê Quốc Nam

x


Danh sách công thức

DANH SÁCH CÔNG THỨC

Công thức 1.1: Định luật Darcy .............................................................................. T 1
Công thức 1.2: Độ linh động của dầu ..................................................................... T 2
Công thức 1.3: Độ linh động của nước ................................................................... T 2
Công thức 1.4: Tỷ số độ linh động .......................................................................... T 3
Công thức 1.5: Hiệu suất đẩy .................................................................................. T 6
Công thức 1.6: Hiệu suất quét ................................................................................. T 6
Công thức 1.7: Hiệu suất thu hồi tổng .................................................................... T 6
Công thức 3.1: Tỷ số linh động trong quá trình bơm ép khí ................................. T 18
Công thức 3.2: Tỷ số trọng lực nhớt ..................................................................... T 19
Công thức 3.3: Độ rỗng ......................................................................................... T 29
Công thức 3.4: Độ thấm tương đối của dầu ......................................................... T 29
Công thức 3.5: Độ thấm tương đối của nước ........................................................ T 29
Công thức 3.6: Độ thấm tương đối của khí ........................................................... T 30
Công thức 3.7: Tổng độ bão hòa ........................................................................... T 32
Công thức 3.8: Tỷ số trọng lực nhớt ..................................................................... T 38
Công thức 5.1: Tiêu chí tỷ lệ của Leas và Rappaport ........................................... T 78
Công thức 5.2: Tính toán độ thấm tuyệt đối bằng phương trình Darcy ................ T 80


tả mối quan hệ giữa lưu lượng dòng chảy với chênh lệch áp suất, khi chất lưu không
chịu nén chảy qua môi trường lỗ rỗng có chiều dài L và tiết diện A. Tốc độ dòng chảy
phụ thuộc vào diện tích và chiều dài của môi trường rỗng, độ nhớt của chất lỏng chảy
và áp suất. Định luật Darcy được thể hiện bằng toán học như sau:
Q=

k A ∆p
μ L

(Công thức 1.1)

Trong đó:
Q: là lưu lượng dòng chảy qua lỗ rỗng [cm3/s]
k: độ thấm [D]
µ: độ nhớt [cP]
∆p : chênh lệch áp suất trong môi trường [atm]
L, A: chiều dài của môi trường (cm) và tiết diện ngang của dòng chảy [cm2]
Định luật Darcy chỉ áp dụng trong một số điều kiện sau:


Dòng chảy tầng.



Dòng chảy ổn định.



Chất lưu không chịu nén.


λo =

k o k k ro
=
μ0
μo

(Công thức 1.2)

λw =

k w k k rw
=
μw
μw

( Công thức 1.3)

SVTH: Lê Quốc Nam

2


Chương 1: Khái niệm cơ bản
Với:
λo : độ linh động của dầu [ D/cP].
λw : độ linh động của nước [D/cP].
k o , k w : độ thấm pha dầu và độ thấm pha nước [D].
k ro , k rw : độ thấm tương đối của dầu và độ thấm tương đối của nước
Độ linh động của chất lưu được bơm ép trong phương pháp WAG ảnh hưởng đến

(Công thức 1.4)

Trong đó:
M: tỷ số linh động trong bơm ép khí nước luân phiên.
𝜆𝐶ℎấ𝑡 đẩ𝑦 : độ linh động của nước và khí.
𝜆𝐶ℎấ𝑡 𝑏ị đẩ𝑦 : độ linh động của dầu và nước.
𝐾𝑔 , 𝐾𝑤 , 𝐾𝑜 : độ thấm của khí, nước và dầu [D].
𝜇𝑔 , 𝜇𝑤 , 𝜇𝑜 : độ nhớt của khí, nước và dầu [cP].
Khi tỷ số M < 1, thì ranh giới dầu nước dịch chuyển ổn định và quá trình được diễn
ra như pittông đẩy.
Khi tỷ số M > 1, ranh giới dầu nước dịch chuyển không ổn định, tạo lưỡi nước và
hiện tượng tỏa ngón.

SVTH: Lê Quốc Nam

3


Chương 1: Khái niệm cơ bản
Hình 1.2 cho thấy hiện tượng tỏa ngón tại tỷ số linh động (M) khác nhau theo
Habermann (1960). Hình ảnh cho thấy hiện tượng khí đẩy dầu ở đới phía trước chuyển
dịch hình dạng giống ngón tay, hình ảnh tiêu biểu cho mô hình bơm ép 5 điểm ở những
giá trị tỷ số linh động khác nhau. Tại tỷ số linh động là 0.15, cho thấy đới phía trước
chuyển dịch ổn định và không xảy ra hiện tượng phân tỏa dạng ngón. Hiệu suất quét
diện tích đạt đến 95%. Tại tỷ số linh động (M) là 1 thì đới chuyển dịch kém ổn định hơn
so với khi M=0.15, hiệu suất quét diện tích đạt 80%. Với M=71.5, hiện tượng phân tỏa
dạng ngón chiếm ưu thế, hiệu suất quét diện tích chỉ đạt 40%. Do đó, dựa vào giá trị tỷ
số linh động, sự xuất hiện của hiện tượng phân tỏa dạng ngón trong đới chuyển dịch có
thể dự báo được chính xác.


Công thức toán học:
𝐸𝑑 =

𝑆𝑜𝑖 − 𝑆𝑜𝑟
𝑆𝑜𝑖

𝐸𝑣 = 𝐸𝐴 × 𝐸𝐼

(𝐶ô𝑛𝑔 𝑡ℎứ𝑐 1.5)
(𝐶ô𝑛𝑔 𝑡ℎứ𝑐 1.6)

Trong đó:
Ed: Hiệu suất đẩy (%)
Soi: Độ bão hòa ban đầu
Sor: Độ bão hòa dầu dư
Ev: Hiệu suất quét thể tích (%)
EI: Hiệu suất quét đứng (%)
EA: Hiệu suất quét diện tích (%).
Hiệu suất quét diện tích là tỷ số của phần diện tích xâm lấn hoặc tiếp xúc bởi chất lưu
bơm ép.
Hiệu suất quét đứng là tỷ số của tổng chiều cao vỉa tiếp xúc với chất lưu bơm ép so
với tổng chiều cao của vỉa.
Tích số của hai hiệu suất quét trên (diện tích và đứng) là hiệu suất quét thể tích. Hiệu
suất quét thể tích là tỷ lệ của thể tích vỉa có thể quét được hay tiếp xúc được bằng nước
bơm ép. Hiệu suất thu hồi dầu tổng là tích số của hiệu suất đẩy Ed và hiệu suất quét thể
tích Ev (Thakur & Satter, 1998).
Công thức toán học:
𝐸 = 𝐸𝑑 × 𝐸𝑣

(𝐶ô𝑛𝑔 𝑡ℎứ𝑐 1.7)

được 4 thể tích CO2.
SVTH: Lê Quốc Nam

7


Chương 2: Tính chất lý hóa của khí CO2
2.2. Độ hòa tan CO2 trong nước

Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn độ hòa tan CO2 vào nước theo nhiệt độ và áp suất
(Ram B. Gupta, 2007)
Độ hòa tan của khí CO2 từ đồ thị trên cho thấy nó tỷ lệ nghịch với nhiệt độ và tỷ lệ
thuận với áp suất. Tuy nhiên, độ hòa tan của CO2 lớn hơn độ hòa tan của hydrocarbon
(CH4 , C2, C3, C4) vốn tan ít trong nước và N2 tan rất ít trong nước.
T (0C, 0K)

500C (323.150K)

P (psig và bar)

Solubility (kg/m3)

1470 psig (101.325 bar)

0.750

2200 psig (151.988 bar)

1.790