TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ QUỐC GIA VIỆT NAM
VIỆN DẦU KHÍ VIỆT NAM
-------------------------

TIỂU LUẬN 2
Luận án tiến sĩ kỹ thuật

"Nghiên cứu, đánh giá hiện tượng ngưng tụ lỏng và các yếu tố ảnh
hưởng đến quá trình xảy ra trong lòng giếng khai thác
mỏ Hải Thạch"

Chuyên ngành: Kỹ thuật dầu khí
Mã số: 62.52.06.04

Họ và tên NCS:

Nguyễn Minh Quý

Người hướng dẫn 1: TS. Phan Ngọc Trung
Người hướng dẫn 2: TS. Nguyễn Hữu Trung

Hà Nội, năm 2017
0


MỤC LỤC

1.

TỔNG QUAN NGƯNG TỤ LỎNG TRONG GIẾNG KHAI THÁC ...... 2



TỔNG QUAN NGƯNG TỤ LỎNG TRONG GIẾNG KHAI THÁC

1.1.

Hiện tượng ngưng tụ lỏng trong giếng khai thác
Trong khai thác các mỏ khí, thành phần chất lưu từ giếng di chuyển lên bề

mặt luôn có một lượng nhất định pha lỏng, bao gồm HC lỏng do ngưng tụ khi áp
suất suy giảm thấp hơn áp suất ngưng tụ hoặc/và nước vỉa có sẵn. Chuyển động của
pha lỏng trong giếng khai thác khí là hiện tượng phức tạp. Khi mới đưa giếng vào
khai thác, còn chênh áp lớn nên vận tốc dòng khí đủ lớn để nâng các hạt lỏng dưới
dạng sương (kích thước các hạt lỏng nhỏ) lên bề mặt. Tuy nhiên, sau một thời gian
khai thác, áp suất của vỉa suy giảm và vận tốc chuyển động của dòng khí cũng bị
giảm theo. Khi vận tốc chuyển động của dòng khí thấp hơn một giá trị tới hạn nhất
định (phụ thuộc tính chất chất lưu của từng mỏ), các hạt lỏng sẽ không được cung
cấp đủ cơ năng để chuyển động theo dòng khí sẽ bắt đầu rơi ngược trở lại do lực
trọng trường và tích tụ ở đáy giếng (Liquid Loading). Khi hiện tượng bắt đầu xảy
ra, chế độ chảy của dòng chảy sẽ bị thay đổi, quá trình ngưng tụ trong giếng sẽ diễn
ra nhanh hơn và đẩy mạnh quá trình tích tụ pha lỏng ở đáy giếng. Quá trình tích tụ
pha lỏng phát triển làm thay đổi chế độ dòng chảy, tạo nút pha lỏng ở đáy giếng
ngăn cản dòng khí từ vỉa vào và có thể dẫn đến dừng hoạt động khai thác của giếng.
Hiện tượng ngưng tụ lỏng trong giếng khai thác phụ thuộc vào tốc độ lưu
thể trong ống khai thác cũng như chế độ dòng chảy đa pha trong ống (vành
khuyên, nút, bọt), quỹ đạo giếng (góc nghiêng), kiểu thiết kế hoàn thiện giếng,
vật liệu chế tạo ống khai thác...Các dạng dòng chảy 2 pha trong giếng được minh
họa trong hình 1 dưới đây:

2



Trong đó:

𝜌𝑣 2 𝑑
𝜌𝑣 2 𝑑
𝑊𝑒 =
𝑊𝑒 =
𝜎
𝜎
ρ-tỷ trọng pha lỏng (kg/m3);
v-vận tốc chuyển động (m/s);
3


d- đường kính của hạt lỏng (m);
σ-sức căng bề mặt của hạt lỏng (N/m).
Theo Turner, hai yếu tố cơ bản để xác định sự hình thành của quá trình
liquid loading là: hiện tượng liquid loading bắt đầu diễn ra khi kích thước của
hạt lỏng ngưng tụ đủ lớn để dòng khí chuyển động không đủ khả năng mang theo
và hạt lỏng bắt đầu rơi ngược xuống đáy giếng do tác dụng của trọng lực; thứ hai
là tính ổn định của lớp film lỏng bám dọc theo thành ống. Turner xây dựng các
mô hình: (1) Chuyển động của lớp màng vành xuyến pha lỏng dọc theo thành
ống và (2) chuyển động của các hạt pha lỏng cuốn theo dòng khí chuyển động ở
không gian bên trong vành xuyến. Khi so sánh hai mô hình này với dữ liệu thực
tế sản xuất, mô hình (2) cho phép dự báo liquid loading tốt hơn. Theo lý thuyết,
phương trình tính toán vận tốc tới hạn của dòng khí để có thể nâng các hạt lỏng
chuyển động theo cùng như sau:
1/4

𝑣𝑡 =

số hiệu chỉnh lên tới 20%.
Sau này, mô hình Turner tiếp tục được phát triển với nhiều quan điểm mới.
Li và Sun [3] đã chỉ ra rằng trong mô hình của Turner và Coleman chưa tính đến
sự biến dạng của các giọt pha lỏng trong quá trình rơi xuống dưới tác dụng của
dòng khí chuyển động lên. Theo đó, các hạt chất lỏng sẽ không có dạng hình cầu
mà có dạng hình quả trám dẹt dưới tác dụng của áp lực khác nhau ở phần đầu và
phần cuối của giọt lỏng. Hạt chất lỏng hình cầu có diện tích hiệu dụng nhỏ hơn
so với hạt hình trám dẹt, do đó sẽ cần một vận tốc dòng khí lớn hơn để nâng hạt
lỏng hình cầu đi lên, hay nói cách khác, các hạt có hình quả trám dẹt sẽ có diện
tích hiệu dụng lớn hơn và cần một vận tốc dòng khí nhỏ hơn để có thể được nâng
lên bề mặt. Phương trình của mô hình Li tính toán vận tốc tới hạn và lưu lượng
dòng khí như sau:
1/4

𝑣𝑐 = 2,5

𝜎 1/4 (𝜌𝑙 − 𝜌𝑔 )

(đơ𝑛 𝑛𝑔𝑢𝑦ê𝑛 𝑆𝐼 )

√𝜌𝑔
𝑄𝑔 = 2,5. 105

𝑃𝑣𝑒 𝐴
(𝑇)𝑍

Tiếp theo, trong nghiên cứu của mình Veeken [4] cho rằng quá trình liquid
loading cần xem xét bằng một mô hình có tính đến chuyển động của dòng chảy
pha lỏng dạng film (màng) dọc theo thành ống. Veeken chứng minh thực nghiệm
rằng vật liệu sơn phủ kỵ nước giúp giảm vận tốc tới hạn của quá trình liquid

Giai đoạn 5: Áp suất vùng cận đáy giếng được bổ sung cho đến khi

đủ để nâng cột chất lưu (hai pha khí-lỏng) trong giếng khai thác lên bề mặt, dòng
chảy trong giếng sẽ hoạt động trở lại.
Các quá trình được mô tả theo hình 2 dưới đây, và được lặp lại cho đến
khi vỉa không thể bổ sung áp suất cho vùng cận đáy giếng đạt áp suất cần thiết
để tiếp tục nâng cột lưu chất trong giếng đi lên. Lúc đó giếng sẽ bị dừng hoạt
động hoàn toàn.

Hình 2: Các giai đoạn dòng chảy trong giếng khai thác khí khi xảy ra liquid
loading.
6


Van Gool [5] đã tiến hành đo kích thước các hạt lỏng và thấy rằng kích
thước thực tế của các hạt lỏng trong dòng chảy khi xảy ra liquid loading nhỏ hơn
so với kích thước tính toán để đạt cân bằng vận tốc. Từ đó tác giả kết luận rằng
hiện tượng liquid loading phụ thuộc vào độ không ổn định của lớp màng chất
lỏng trong đường ống dẫn chứ không phải là cân bằng lực tác dụng lên các hạt
lỏng.
Guo [6] đã đưa ra một mô hình mới để dự báo hiện tượng liquid loading.
Theo Guo bên cạnh yếu tố vận tốc dòng khí, lượng pha lỏng trong hỗn hợp chất
lưu (liquid gas ratio) cũng là một yếu tố đóng vai trò hết sức quan trọng đối với
hiện tượng. Tồn tại một giá trị ngưỡng của tỷ số lỏng-khí của hỗn hợp lưu chất,
và nếu tỷ số lỏng khí cao hơn giá trị ngưỡng này, hiện tượng liquid loading sẽ
xảy ra ngay cả khi vận tốc của dòng khí cao hơn vận tốc tới hạn theo mô hình
Turner. Công thức tính toán vận tốc tới hạn của mô hình Guo như sau:
1/4

𝑣𝑐𝑟𝑖−𝑁 = 𝑣𝑇 =

𝑣𝑐𝑟𝑖−𝐿 - vận tốc tới hạn theo mô hình Guo;
𝑣𝑐𝑟𝑖−𝑇 - vận tốc tới hạn theo mô hình Turner.

Được công bố năm 2012, M Daas [8]và các cộng sự đã giới thiệu một mô
hình động học dòng chảy đa pha hiệu chỉnh. Mô hình của Daas chứng minh rằng
với điều kiện hệ lưu chất có hệ số LGR nhỏ hoặc trung bình, các mô hình Turner
và Guo thường cho dự báo vận tốc tới hạn thấp hơn thực tế, nhất là trong trường
hợp áp suất đầu giếng cao. Daas cũng cho rằng các mô hình trên chưa tính đến
ảnh hưởng của sự gia tăng chỉ số liquid holdup trong dòng khí. Hiện tượng liquid
loading diễn ra đồng thời với quá trình chuyển đổi chế độ chảy của hỗn hợp lưu
chất từ annular flow sang churn/slug flow. Mô hình động học của Daas được
xem là công cụ để dự đoán tốt hơn vận tốc tới hạn liquid loading bằng việc kết
hợp sử dụng các mô hình trạng thái bền (của Guo) và có tính thêm ảnh hưởng
của thông số liquid holdup từ mô phỏng tạm thời.
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng của tubing đối với hiện tượng
liquid loading được đặc biệt chú ý. Tuy còn nhiều tranh luận khác nhau nhưng
các kết quả nghiên cứu đều cho thấy quỹ đạo giếng hay nói cách khác góc lệch
của tubing là yếu tố không thể bỏ qua trong việc dự báo liquid loading của giếng
khai thác khí. Flores- Avila [9] đã thực nghiệm dòng chảy hai pha khí-lỏng với
hỗn hợp không khí và nước với hệ thống đường ống có các góc nghiêng khác
nhau. Kết quả cho thấy giá trị vận tốc tới hạn tăng khi góc nghiêng của đường
ống tăng theo phương trình sau
𝑣𝑠𝑔

𝜎(𝜌𝐿 − 𝜌𝑔 )
= 4,452 ⌊
⌋
𝐶𝑑 cos 𝜃𝜌𝑔2
8


quân theo ngày của nước và condensate. Các số liệu đo được sẽ được khớp với
mô hình dòng chảy đa pha tức thời. Theo Donald, hiện tượng liquid loading ở
giếng khoan ngang thường xảy ra sớm hơn dự báo do lượng pha lỏng ngưng tụ
9


ở phần giếng khoan ngang sẽ tạo chế độ chảy slug khi chất lưu đi vào tubing khai
thác. Kết quả cho thấy dữ liệu mô hình mô phỏng tương đối phù hợp với dữ liệu
đo trực tiếp bằng hệ thống thiết bị video logging. Phân tích độ nhạy được biểu
diễn trên các yếu tố quỹ đạo giếng khoan (toe up, toe down, undulating). Nghiên
cứu cũng đánh giá vai trò của các yếu tố như hệ số lỏng khí LGR, phân bố dòng
chảy từ vỉa vào giếng. Kết quả nghiên cứu cho thấy giếng khoan có quỹ đạo càng
phức tạp càng có nguy cơ xảy ra liquid loading. Trong kết luận của mình, Donald
cho rằng các giếng khoan ngang theo quỹ đạo toe-up (phần thân ngang chếch
lên) sẽ khai thác tốt hơn so với các giếng khoan theo các quỹ đạo kiểu khác.
Giếng có quỹ đạo theo kiểu undulating (nhấp nhô) có nguy cơ cao hơn trong các
dạng quỹ đạo. Bên cạnh đó, Donald cũng cho rằng độ sâu của tubing trong giếng
khoan ngang cũng có ảnh hưởng tới khả năng tích tụ lỏng. Vị trí tối ưu để đặt
tubing là ở phía trên gần sát với độ cao nơi pha lỏng tích tụ. Khi đó các hạt lỏng
ngưng tụ và tích tụ tại điểm thấp gần tubing sẽ dễ dàng được cuốn theo dòng khí
để chuyển động lên bề mặt. Tuy nhiên kết quả nghiên cứu này chỉ dựa trên kết
quả chạy mô hình mô phỏng và số liệu đo thực địa của 01 giếng khoan trong thời
gian khá ngắn (04 ngày), do đó chưa thể khẳng định tính đại diện của kết quả
nghiên cứu.
G.Yuan [12] trong nghiên cứu, thực nghiệm về quá trình liquid loading và
ảnh hưởng của góc xiên của giếng khai thác đối với quá trình đã thu được kết
quả cho thấy góc nghiêng của ống khác nhau sẽ cho giá trị vận tốc tới hạn là khác
nhau ở cùng gradient áp suất. Nghiên cứu này đã tính toán tới ảnh hưởng của
của các đại lượng: gradient áp suất và góc nghiêng của thân giếng trong phạm vi
dưới 300.

của mỏ.
Để thực hiện mục tiêu nghiên cứu đánh giá hiện tượng ngưng tụ lỏng
trong giếng khai thác mỏ Hải Thạch đã đề ra, giếng HT-3P đã được nghiên cứu
chi tiết hiện tượng ngưng tụ lỏng trong vỉa (condensate bankinh) trong chuyên
đề 1 được tiếp tục nghiên cứu đánh giá hiện tượng ngưng tụ lỏng trong giếng.
Các nội dung nghiên cứu sau đây đã được thực hiện:
a) Thực nghiệm trên mô hình vật lý đánh giá mối quan hệ giữa tính chất của hệ
chất lưu, gradient áp suất và vận tốc dòng chảy trong giếng, quỹ đạo giếng
11


khoan (độ nghiêng, góc lệch) tới quá trình ngưng tụ lỏng và chế độ dòng chảy
trong giếng khai thác.
b) Nghiên cứu, đánh giá quá trình chuyển động và ngưng tụ của pha lỏng trong
giếng trên mô hình mô phỏng giếng:
Để thực hiện nội dung này, các thông số cấu trúc giếng khoan, tính chất chất
lưu, số liệu khai thác thực tế của giếng HT-3P được sử dụng để xây dựng mô
hình dòng chảy trong giếng trên phần mềm OLGA. Các thông số khai thác
thực tế của giếng và kết quả thực nghiệm trên mô hình vật lý dòng chảy (flow
loop) được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình thông qua quy trình khớp lịch sử
(history matching). Sau khi được hiệu chỉnh, mô hình đủ tin cậy để mô phỏng
đánh giá quá trình ngưng tụ trong thân giếng và được sử dụng để phân tích
ảnh hưởng của các thông số sau đây tới chế độ dòng chảy trong giếng, mức
độ ngưng tụ:
 Kích thước, đường kính ống khai thác
 Quỹ đạo giếng khoan:
2.

NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG NGƯNG TỤ LỎNG BẰNG MÔ


lý video giúp phân tích dòng chảy sau đó. Tốc độ ghi hình 1000 ảnh/giây.
Trong phần thực nghiệm tại PTN KITECH, nhóm tác giả đã thực hiện mô
phỏng các chế độ dòng chảy đa pha trong giếng đứng và nghiêng với mẫu khícondensate được tái tạo mô phỏng theo tính chất của mẫu chất lưu từ giếng HT13


3P với pha khí thành phần tái tạo C1 chiếm 84%, CO2 5% và pha lỏng với
hydrocarbon nặng C4+ 11% tương ứng thành phần của giếng HT-3P với thành
phần như sau :
Bảng 1. Thành phần hydrocarbon giếng HT-3P
Cấu tử
H2
H2S

Hydrogen
Hydrogen
sulphide

Thành phần

Cấu tử

Mole %

Thành phần
Mole %

0.00

iC5


C7

Heptanes

0.98

C1

Methane

76.56

C8

Octanes

1.27

C2

Ethane

5.02

C9

Nonanes

0.86


C12+

3.51
Tổng

100.00

Thực nghiệm ngưng tụ lỏng đã được tiến hành với với việc thay đổi lưu
lượng dòng của từng phase khí và lỏng riêng rẽ và với các góc nghiêng thay đổi
từ 0o; 15o; 30o và 45o từ phương thẳng đứng. Tổng số hơn 100 thực nghiệm đã
được thực hiện. Ứng với từng cấp lưu lượng khí/lỏng thì các tham số chênh áp,
lượng lỏng ngưng tụ tại từng điểm quan sát (liquid holdup) đã được đo, ghi. Chế
độ dòng chảy được quan sát bằng hình ảnh (ảnh chụp, video) với hệ thống video
tốc độ cao (1000 ảnh/s).
Bằng việc phân tích các điểm đo thực nghiệm cũng như phân tích hình
ảnh, vận tốc khí tới hạn đã được xác định cho từng cấp thực nghiệm riêng rẽ theo
các giai đoạn sau:
14


- Xác định vận tốc phase khí tối thiểu để giọt lỏng ngưng tụ lớn nhất trong
dòng khí đi lên.
- Vận tốc khí đi lên trong quá trình chuyển dịch cơ chế dòng chảy từ annular
flow sang intermittent flow, và quá trình liquid loading (dòng chảy ngược) bao
gồm droplet và liquid film được phân tích bằng các điểm đo pressure gradient,
liquid holdup và quan sát bằng hình ảnh từ camera tốc độ cao.
Áp dụng mô hình Turner tính toán với thành phần khí-condensate, đặc biệt
với tỷ lệ lỏng/khí (CGR) từ 120-130 bbl/mmscf của giếng HT-3P cho kết quả
vận tốc khí tới hạn trong khoảng từ 12 – 17m/s.
Mức độ liquid loading trong giếng phụ thuộc rất nhiều vào tỷ phần pha

giảm đến vận tốc 5 m/s.
Hình 6 thể hiện kết quả thực nghiệm cho thấy xu hướng thay đổi giá trị
gradient áp suất theo vận tốc dòng khí vSG với năm giá trị lưu lượng pha lỏng
khác nhau vSL.

16


Gradient áp suất (Pa/m)

VSG (m/s)

Hình 5. Quan hệ Pressure gradient với vận tốc khí trong ống đứng
Với vận tốc phase lỏng vSL không đổi, vận tốc phase khí vSG giảm dẫn đến
gradient áp suất giảm, động năng của dòng khí giảm dần, khả năng nâng lớp
màng chất lỏng quanh thành ống giảm dần. Đến một giá trị tối thiểu, tại điểm
này, ứng suất trượt dao động quanh giá trị 0 và ứng suất trượt bề mặt cân bằng
với trọng lực, lớp màng pha lỏng chảy dọc lên theo bề mặt đường ống như một
dòng chảy dạng annular liên tục. Tiếp tục giảm vận tốc vSG , lớp chất lỏng bên
ngoài phần tiếp xúc với dòng khí sẽ vẫn có xu hướng chảy lên trên theo dòng khí
tuy nhiên lớp chất lỏng sát bề mặt thành ống sẽ chảy ngược xuống đáy do lực
trọng trường. Quá trình sẽ làm gradient áp suất tăng lên nhanh do hiện tượng
chảy ngược như mô tả trong hình 6.

17


Lưu lượng khí giảm

Hình 6. Cơ chế ngưng tụ lỏng theo thành ống với dòng chảy ngược của lỏng

lớn hơn 45o. Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm cũng khá phù hợp với kết quả thực
nghiệm của Westende (2008) [14] như trong hình 8.

19


Vận tốc (m/s)

Góc nghiêng

Hình 8. Các nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng đến liquid loading
Từ kết quả thực nghiệm có thể rút ra một số nhận định như sau:
 Cơ chế gây ra hiện tượng ngưng tụ lỏng tại đáy giếng là sự hình thành và
chuyển động của lớp màng lỏng quanh thành giếng. Khi động năng của dòng khí
đủ lớn (Vsg > vận tốc tới hạn), màng lỏng sẽ chuyển động theo dạng vành xuyến
(annular flow) lên miệng giếng. Khi vận tốc khí nhỏ hơn vận tốc tới hạn, do lực
nâng nhỏ hơn trọng lực và ma sát giữa chất lỏng và thành ống, phần bên trong
lớp màng mỏng sát thành ống sẽ chuyển động đi xuống, phần bên ngoài lớp màng
lỏng tách ra dưới dạng các giọt lỏng và rơi xuống. Sự tích tụ phase lỏng tại đáy
giếng sẽ làm cản trở dòng khí đi vào giếng, giảm chênh áp dẫn đến giảm vận tốc
dòng khí lên miệng giếng càng làm hiện tượng ngưng tụ ngược tại đáy giếng
thêm trầm trọng.
 Khi góc nghiêng của giếng tăng trong phạm vi 0o -30o, giá trị vận tốc tới
hạn tăng khi góc nghiêng tăng. Giá trị vận tốc tới hạn lớn nhất với góc nghiêng
thân giếng khoảng 30o sau đó giảm dần. Điều đó có ý nghĩa quan trọng khi thiết
kế giếng với quỹ đạo tối ưu nên có góc nghiêng nhỏ và trong các trường hợp phải
khoan nghiêng nên tránh góc nghiêng 25-35o là góc nghiêng có vận tốc tới hạn
lớn nhất đồng nghĩa với hiện tượng ngưng tụ ngược tại đáy giếng xảy ra sớm
nhất so với các góc nghiêng thân giếng khác.


3.1.

Xây dựng mô phỏng giếng HT-3P
Mô hình mô phỏng dòng chảy trong giếng HT-3P được xây dựng trên phần

mềm OLGA, là công cụ chuyên dụng mô phỏng dòng chảy đa pha đang được sử
dụng rộng rãi hiện nay, đồng thời là một trong những công cụ có tính năng và độ
21


tin cậy cao nhất. Cơ chế mô phỏng dòng chảy dựa trên 5 phương trình cân bằng
khối lượng được tính toán riêng rẽ cho pha khí đã tách lỏng, nước khai thác dạng
giọt, nước khai thác dạng film, condensate dạng giọt, condensate dạng film. Ba
phương trình động lượng cũng được tính toán đồng thời trong phần mềm bao
gồm một cho pha khí và các giọt trong khí, một cho condensate, một cho nước
khai thác. Mô hình tính toán tính đến lực ma sát với thành giếng, góc tiếp xúc,
tốc độ của giọt và bọt lỏng đi lên, tốc độ của giọt lỏng ngưng tụ và chảy ngược
tích tụ ở đáy giếng.
Để xây dựng mô hình, các thông số thực tế của giếng HT-3P như quỹ đạo
giếng khoan, các thông số hoàn thiện giếng. Động thái khai thác thực tế của giếng
được sử dụng để phục hồi lịch sử.
Quỹ đạo giếng khai thác HT-3P
Các kết quả nghiên cứu trên mô hình vật lý đã cho thấy quỹ đạo cũng như
góc nghiêng của giếng là một trong những yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến khả
năng xảy ra cũng như mức độ ảnh hưởng của hiện tượng liquid loading. Mô hình
giếng ban đầu được xây dựng với quỹ đạo thực tế của giếng HT-3P nhằm đánh
giá trạng thái thực tế của giếng khai thác hiện nay (hình 9). Ngoài ra, các phương
án độ nhạy với quỹ đạo và góc nghiêng của giếng cũng đã được thực hiện nhằm
kiểm chứng các kết quả thực nghiệm cũng như đánh giá ảnh hưởng của yếu tố
này trên mô hình mô phỏng.

trong lòng giếng.
Thông số dòng chảy đầu vào cho phục hồi lịch sử được sử dụng từ các giá
trị IPR tính toán theo số liệu khai thác thực tế của giếng HT-3P theo công thức
sau:
Q = 0.052 (PR2 – Pwf2) với Q = scf/D, P = psia

24

Trích đoạn Ảnh hưởng của tỷ số lỏng-khí (CGR)

---