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

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

1.1. Hiện tượng ngưng tụ lỏng trong giếng khai thác ....................................... 2
1.2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 11
2.

NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG NGƯNG TỤ LỎNG BẰNG MÔ HÌNH

VẬT LÝ ............................................................................................................. 12
2.1. Hệ thống thực nghiệm .............................................................................. 12
2.2. Kết quả thực nghiệm ................................................................................ 16
2.2.1. Giếng thẳng đứng .................................................................................. 16
2.2.2. Đánh giá ảnh hưởng góc nghiêng đến liquid loading ........................... 18
3.

ĐÁNH GIÁ HIỆN TƯỢNG NGƯNG TỤ LỎNG TRONG GIẾNG BẰNG

MÔ HÌNH MÔ PHỎNG LÒNG GIẾNG .......................................................... 21
3.1. Xây dựng mô phỏng giếng HT-3P ........................................................... 21
3.2. Đánh giá hiện tượng liquid loading trên mô hình mô phỏng ................... 27
3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình liquid loading của giếng HT-3P .... 33
3.3.1. Ảnh hưởng của tỷ số lỏng-khí (CGR) ................................................... 34
3.3.2. Ảnh hưởng của quỹ đạo giếng............................................................... 35
3.3.3. Ảnh hưởng của đường kính ống khai thác ............................................ 37
3.3.4. Ảnh hưởng của độ ngập nước ............................................................... 37
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 41

1


1.

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

Dòng chảy
sương

Dòng chuyển
tiếp

Dòng chảy nút
khí

Dòng chảy bọt khí

Lưu lượng khí giảm

Hình 1: Các dạng dòng chảy hai pha khí-lỏng trong giếng và đường ống
Hiện tượng ngưng tụ condensate vùng cận đáy giếng và trong hệ thống khai
thác là nguyên nhân chính gây sụt giảm sản lượng khí và condensate, giảm hiệu quả
kinh tế do khí mất thành phần nặng khi khai thác các mỏ khí-condensate. Một số
mỏ lớn trên thế giới ví dụ như mỏ Arun ở Indonesia báo cáo mất tới 45% sản lượng
do hiện tượng ngưng tụ lỏng.
Đã có nhiều nghiên cứu về hiện tượng liquid loading được công bố. Tuy
nhiên, các phương pháp dự báo hiện tượng liquid loading vẫn còn nhiều quan
điểm khác nhau và chưa đánh giá đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng. Các nghiên cứu
đầu tiên về liquid loading tập trung vào các yếu tố vật lý của dòng chảy hai pha,
là mỗi liên hệ giữa vận tốc chuyển động của dòng khí với các yếu tố như chế độ
chảy, kích thước hạt lỏng, tỷ lệ pha khí và pha lỏng, các lực tương tác lên hạt
lỏng trong chuyển động. Turner [1] đã đưa ra phương pháp dự báo tốc độ tới hạn
của dòng khí dựa trên các tính toán cân bằng giữa lực nâng và trọng lực tác dụng
lên các hạt lỏng có kích thước tối đa có thể. Giá trị cực đại của chỉ số Weber cho
phép xác định kích thước lớn nhất của hạt lỏng, theo mối quan hệ sau đây

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 =

1,593𝜎 1/4 (𝜌𝑙 − 𝜌𝑔 )
√𝜌𝑔

(𝑓𝑡/𝑔𝑖â𝑦)

Phương trình Turner có hệ số điều chỉnh lên đến 20% cho phù hợp với dữ
liệu thực tế. Cụ thể phương trình tính toán vận tốc tới hạn hiệu chỉnh dành cho
nước 𝑣𝑐,𝑤 và condensate được trình bày như sau
𝑣𝑐,𝑤 =

5,304(67 − 0,0031𝑃)1/4

𝑣𝑐,𝑐𝑜𝑛𝑑 =

√0,0031𝑃
4,03(45 − 0,0031𝑃)1/4
√0,0031𝑃

Mô hình này được sử dụng khá phổ biến trong sản suất trong nhiều thập
kỷ nay vì các thông số có thể đo được dễ dàng tại đầu giếng. Tuy nhiên, mô hình
Turner giả thiết rằng hiện tượng liquid loading không phụ thuộc vào đường kính
của ống khai thác.

4


Bằng một loạt nghiên cứu của mình, Coleman [2] đã cải biến mô hình của
Turner để tính toán cho các mỏ nông và có áp suất đầu giếng không quá 500 psia,
kết quả cho thấy mô hình dự báo liquid loading chính xác hơn mà không cần hệ

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

loading trong ống. Trong nghiên cứu của mình Veeken cũng cho rằng hiện tượng
liquid loading bao gồm 05 giai đoạn liên tục diễn ra trong giếng khai thác như
sau:
-

Giai đoạn 1: Cả hai pha khí và lỏng cùng chuyển động lên bề mặt
5


-

Giai đoạn 2: Vận tốc của dòng khí giảm thấp đến mức không đủ khả

năng năng đẩy các hạt pha lỏng lên bề mặt. Dòng chất lỏng chảy ngược trở lại
đáy giếng và bắt đầu tích tụ tại đây.
-

Giai đoạn 3: Lớp chất lỏng tích tụ tại đáy giếng làm tăng áp suất

thủy tĩnh tại đáy giếng, điều này làm giảm lưu lượng dòng khí từ vỉa đi vào giếng,
quá trình này tiếp tục cho đến khi dòng khí đi vào giếng dừng hẳn .
-

Giai đoạn 4: Lượng chất lỏng tích tụ ở đáy giếng sau đó bị ép trở lại

vỉa khi áp suất ở đáy giếng cao hơn áp suất vỉa vùng cận đáy giếng. Trong quá
trình ép ngược lại đó, áp suất của vùng cận đáy giếng được bổ sung (từ năng
lượng của vỉa).
-

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 =

1,593𝜎 1/4 (𝜌𝑙 − 𝜌𝑔 )
√𝜌𝑔

𝑣𝑐𝑟𝑖−𝑁 = 𝑣𝑐𝑟𝑖−𝑁 + ln

𝑓𝑜𝑟 𝐻𝐿 ≤ 𝛽

𝐻𝐿
+ 𝛼 𝑓𝑜𝑟 𝐻𝐿 > 𝛽
𝛽

Trong đó:
α- Hệ số hiệu chỉnh.
HL- Hệ số lỏng khí (Liquid holdup or liquid droplet concentration)
β- giá trị ngưỡng hệ số lỏng-khí.
Yashaswini [7] đã chỉ ra rằng một số mỏ khí có áp suất thấp vẫn không có
hiện tượng liquid loading mặc dù vận tốc dòng khí thấp hơn so với vận tốc tới
hạn được tính theo mô hình Turner và Coleman. Yashaswini dựa vào mô hình
của Guo [6] và có tính toán đến ảnh hưởng của chuyển động lăn của hạt chất
lỏng trong ống, đại diện bằng hệ số tổn thất S để tính đến tổn thất năng lượng
7


của dòng khí. Phương trình tính toán vận tốc tới hạn của Yashaswini có tính đến
hệ số tổn thất S như sau:
𝑣𝑐𝑟𝑖−𝑆 = 𝑣𝑐𝑟𝑖−𝐿 + 𝑆(𝑣𝑐𝑟𝑖−𝑇 − 𝑣𝑐𝑟𝑖−𝐿 )
Trong đó:

𝑣𝑐𝑟𝑖−𝑆 – vận tốc tới hạn có tính đến hệ số tổn thất S;

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

0,25


Trong đó:

𝑣𝑠𝑔 – vận tốc tới hạn

σ – sức căng bề mặt
𝐶𝑑 – hệ số kéo (drag coefficient)
𝜌𝐿 , 𝜌𝑔 - tỷ trọng của pha lỏng và pha khí
θ – góc nghiêng của ống (giếng).
Theo nghiên cứu của Grija về hiện trượng dịch chuyển cơ chế dòng chảy
đã phân tích về sự thay đổi chế độ của dòng chảy hai pha khí-lỏng dọc theo thân
giếng. Nghiên cứu cho thấy sự khác biệt của dòng chảy giữa phần trên và phần
dưới của ống do tác dụng của trọng lực. Ở phía dưới của đường ống màng pha
lỏng dày và hướng của dòng chảy pha lỏng dao động theo hai hướng lên và
xuống. Ở phần trên của đường ống, màng pha lỏng mỏng hơn và hướng của dòng
chảy thể hiện xu hướng đi xuống.
Belfroid [10] nghiên cứu về chuyển động của lớp màng lỏng trong đường
ống có góc xiên khác nhau. Belfroid cho rằng lực ma sát bề mặt có thể được tính
toán dự báo từ các thông số về chiều cao và sự phân bố không gian của sóng lăn
(roll waves). Sự phân bố sóng lăn có vai trò quan trọng đối với cơ chế phân bố
lại của lớp màng lỏng và độ dày trung bình.
Donald [11] đã công bố kết quả nghiên cứu hiện tượng liquid loading của
giếng khai thác khí khoan ngang của một mỏ tight gas. Nghiên cứu được thực
hiện trên một hệ thống mô phỏng dòng chảy đa pha tức thời, một hệ thống camera
đặc biệt (sử dụng công nghệ video logging) được lắp đặt ở đáy một giếng khai
thác khí trên đất liền của một mỏ tight gas. Trong thời gian đo video logging,
giếng dừng hoạt động, các thông số dòng chảy được đo tại đầu giếng, bao gồm:
áp suất, lưu lượng, nhiệt độ, sản lượng cộng dồn, sản lượng và lưu lượng bình

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.

Theo một hướng nghiên cứu khác A. Skopich [13] đã nghiên cứu ảnh
hưởng của kích thước đường ống (tubing khai thác) đối với hiện tượng liquid
loading. Trong nghiên cứu của mình, tác giả đã thực hiện các thí nghiệm với hỗn
hợp không khí-nước trên hai hệ thống dòng chảy mô hình vật lý có đường kính
10


khác nhau (2 inch và 4 inch). Các thông số gradient áp suất và liquid holdup được
đo để xác định vận tốc tới hạn và sau đó so sánh giữa hai trường hợp ống có
đường kính lớn hơn và nhỏ hơn. Kết quả cho thấy vận tốc tới hạn của dòng khí
trong ống 2 inch sẽ nhỏ hơn so với dòng khí trong ống 4 inch, điều này chứng
minh rõ hơn hiệu quả của việc sử dụng các cần gia tốc (velocity string) để giảm
hiện tượng loading trong giếng khai thác khí.
1.2.

Nội dung nghiên cứu
Tổng quan các nghiên cứu đã công bố có thể nhận thấy hiện tượng liquid

loading là một quá trình phức tạp xảy ra trong lòng giếng bị ảnh hưởng bởi nhiều
yếu tố. Đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới trong đó phần lớn tập trung xây
dựng các mô hình hiệu chỉnh trên cơ sở mô hình của Turner nhằm xác định vận
tốc tới hạn để dự báo hiện tượng liquid loading trong giếng. Tuy nhiên các tác
giả cũng đã thừa nhận sai số dự báo lớn. Các nghiên cứu thực nghiệm về ảnh
hưởng của độ nghiêng của giếng, kiểu hoàn thiện, kích thước ống khai thác... tới
vận tốc tới hạn còn rất hạn chế trong các công bố hiện nay và vẫn chưa được
chứng minh thuyết phục trong sản xuất. Các nghiên cứu trước đây cũng chỉ ra
rằng với mỗi mỏ có đặc tính chất lưu, cấu hình hệ thống khai thác khác nhau hiện
tượng ngưng tụ lỏng sẽ xảy ra khác nhau do vậy việc thực hiện các thực nghiệm
đánh giá các yếu tố ảnh hưởng để từ đó xây dựng mô hình mô phỏng có tính ứng
dụng thực tiễn là cần thiết, đặc biệt cần tính đến vai trò của thành phần chất lưu

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

HÌNH VẬT LÝ
2.1.

Hệ thống thực nghiệm
Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật lý dòng chảy (flow

loop) là mô phỏng thực tế quá trình ngưng tụ lỏng và qua đó đánh giá các yếu tố
ảnh hưởng như góc nghiêng và tốc độ dòng khí lên quá trình.
Để thực hiện thực nghiệm, nghiên cứu sinh tham gia trực tiếp cùng nhóm
nghiên cứu của Viện nghiên cứu công nghệ Hàn Quốc (KITECH) thiết kế hệ
thống dòng chảy đa pha với module đường ống 1 inch, tổng chiều dài là 22 m
với phần thiết kế cho phép điều chỉnh độ nghiêng là 7 m. Thiết kế hệ thống cho
phép thay đổi và đo đạc chính xác lưu lượng từng pha riêng rẽ, đo chính xác áp
suất, nhiệt độ và tốc độ chảy từng phase tại các điểm dọc theo đường ống bằng
12


các cảm biến và camera ghi hình. Sơ đồ hệ thống flowloop được mô tả theo Hình
3 dưới đây.

Hình 3. Mô hình vật lý nghiên cứu dòng chảy đa pha
 Mức độ thay đổi áp suất trong ống khai thác (Pressure gradient): Áp suất
được đo bằng 3 bộ biến áp (pressure transducer), bao gồm hai bộ đo áp suất tuyệt
đối và một bộ đo áp suất chênh lệch.
 Mức độ ngưng tụ (Liquid holdup): được đo bằng bộ giữ mẫu chất lưu lắp
đặt ở gần van đóng nhanh loại van cầu.
 Thuộc tính dòng chảy (Flow pattern): được xác định bằng phương pháp
quan sát, tại các vị trí đặc trưng, dòng chảy sẽ được quan sát qua các ô cửa sổ
được thiết kế bằng vật liệu trong suốt. Tại các vị trí này sẽ trang bị các camera
tốc độ cao giúp ghi lại hình ảnh và sau đó được phân tích bằng các phần mềm xử

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

i-Pentane

0.41

0.00

nC5

n-Pentane

0.33

CO2

Carbon dioxide

4.8

C6

Hexanes

0.47

N2

Nitrogen

0.14

C7

Heptanes

0.98

C1

Methane

76.56

C8

Octanes

1.27

C2

Ethane

5.02

C9

Nonanes

0.86

C3

Propane

3.14

C10

Decanes

0.40

iC4

i-Butane

0.79

C11

Undecanes

0.27

nC4

n-Butane

1.05

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

lỏng trong khí (liquid holdup), với dòng chảy trong giếng việc giảm áp và nhiệt
độ sẽ dẫn đến quá trình tách pha của các phân đoạn hydrocarbon nặng làm tăng
giá trị liquid holdup. Liquid holdup sẽ thay đổi dọc theo tubing từ đáy giếng lên
miệng giếng. Mỏ Hải Thạch có CGR thực tế dao động lớn với mức độ trung bình
khoảng 120-130 bbl/MMscf cho giếng HT-3P nên nghiên cứu sinh đã tính toán,
lựa chọn vận tốc dòng lỏng ở 5 mức độ khác nhau Vsl = 0.005; 0.01; 0.02; 0.05;
0.1 m/s kết hợp vận tốc khí giảm dần từ 25 tới 5 m/s (bao trùm khoảng dự kiến
vận tốc tới hạn tính toán theo Turner model cho Hải Thạch là từ 12 – 17 m/s) để
tạo mức độ liquid holdup phù hợp với tỷ số CGR mỏ Hải Thạch và đánh giá được
ảnh hưởng của vận tốc khí đến quá trình liquid loading. Mối quan hệ giá trị trung
bình liquid holdup với vận tốc dòng khí được thể hiện trong Hình 4 dưới đây.
Giá trị liquid holdup có xu hướng giảm khi vsG tăng.

15


Tỷ phần chất lỏng ngưng tụ

VSG (m/s)

Hình 4. Quan hệ liquid holdup với vận tốc dòng khí trong ống đứng
2.2.

Kết quả thực nghiệm

2.2.1. Giếng thẳng đứng
Hiện tượng ngưng tụ ngược được nghiên cứu với 5 giá trị lưu lượng pha
lỏng khác nhau (vsL có giá trị lần lượt là 0.005, 0.01, 0.02, 0.05 và 0.1 m/s). Với
mỗi giá trị lưu lượng pha lỏng, pha khí được điều chỉnh với vận tốc ban đầu là
25 m/s. sau đó giảm dần vận tốc pha khí theo bước giảm là 2.5 m/s cho đến khi

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

ngưng tụ
Kết quả thực nghiệm với ống thẳng đứng cho thấy khi vsL có giá trị lần
lượt là 0.005, 0.01, 0.02, và 0.05 m/s, giá trị pressure gradient đạt tối thiểu với
vsG= 12.5 m/s. Trong khi đó tại vsL=0.1 m/s, pressure gradient đạt tối thiểu khi
vsG=15 m/s.
Các hình ảnh trích xuất từ camera tốc độ cao cho thấy 3 quá trình xẩy ra
rõ rệt khi vận tốc khí VSG > vận tốc khí tới hạn VSGCrit dòng chất lỏng gồm các
hạt lỏng droplet và lớp màng lỏng quanh thành ống liquid film đi lên miệng của
ống thực nghiệm theo 1 chiều lên duy nhất. Tại giá trị Vsg dao động xung quanh
giá trị Vsgcrit, lớp màng lỏng liquid film dịch chuyển lên rất chậm so với tốc độ
trước đó, thậm chí không chuyển động. Tại giá trị VSG < VSGCrit hình ảnh cho
thấy các liquid film đi ngược xuống dưới đáy của ống thực nghiệm.
2.2.2. Đánh giá ảnh hưởng góc nghiêng đến liquid loading
Thực nghiệm với các góc nghiêng 15o và 30o, 45o được tiến hành với 5 vận
tốc lỏng và vận tốc khí giảm dần tương tự như với ống thẳng đứng. Kết quả thực
nghiệm được tổng hợp trong hình 7 cho thấy vận tốc tới hạn tăng tỷ lệ thuận với
góc nghiêng trong khoảng góc nghiêng từ 0 – 30o. Tại góc nghiêng 15o, vận tốc
khí tới hạn khoảng 15 – 17.5 m/s với các VsL<0.1 m/s còn với VsL = 0.1 m/s vận
18


tốc khí tới hạn khoảng 20 m/s. Khi góc nghiêng tăng tới 30o, VSG tại điểm
gradient áp suất thấp nhất là khoảng 17.5 tới 20 m/s với VSL <0.1 m/s, với VSL
bằng 0.1 m/s thì vận tốc khí tới hạn khoảng 20 m/s.
Tuy nhiên khi góc nghiêng tăng tới 45o vận tốc khí tới hạn lại giảm xuống.

Hình 7. Ảnh hưởng của góc nghiêng đến liquid loading
Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm có thể kết luận trong khoảng 030o, vận tốc khí tới hạn tăng khi góc nghiêng của giếng tăng. Nhưng khi tiếp tục
tăng góc nghiêng của giếng, vận tốc tới hạn lại giảm xuống. Do hạn chế của hệ
thống thiết bị tại KITECH nên không khảo sát được không những góc nghiêng

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.

20


3.

ĐÁNH GIÁ HIỆN TƯỢNG NGƯNG TỤ LỎNG TRONG GIẾNG

BẰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG LÒNG GIẾNG
Các thực nghiệm đã được tiến hành trên mô hình vật lý dòng chảy (flow
loop) đã giúp quan sát trực tiếp quá trình ngưng tụ lỏng và tích tụ xuống đáy
giếng, qua đó đưa ra nhưng nhận định về cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng tới quá
trình này. Tuy nhiên do những hạn chế của mô hình vật lý như không thể mô
phỏng được quá trình tách pha, thay đổi thành phần chất lưu do chiều dài và
đường kính ống mô phỏng rất nhỏ và do đó không phản ánh được sự thay đổi
nhiệt độ, áp suất như trong quá trình xảy ra dọc theo ống khai thác thực tế, nghiên
cứu sinh đã tiến hành xây dựng mô hình mô phỏng dòng chảy trong giếng khai
thác nhằm đưa ra những đánh giá toàn diện về quá trình xảy ra cũng như các yếu
tố ảnh hưởng đến hiện tượng liquid loading trong giếng khai thác. Như đã được
nêu ở phần trước, giếng khai thác HT-3P được lựa chọn để mô phỏng đánh giá
hiện tượng ngưng tụ lỏng trong giếng do hiện tượng ngưng tụ lỏng trong vỉa
(condensate banking) đã được chứng minh đang gây ra những khó khăn trong
khai thác và mặc dù chưa có báo cáo thực tế khai thác nào về phức tạp do ngưng
tụ lỏng trong giếng (liquid loading) nhưng với lưu luợng khai thác sụt giảm
nghiêm trọng đồng nghĩa với tốc độ dòng khí trong giếng suy giảm, hiện tượng
loading sẽ xảy ra là điều không tránh khỏi.
Mô hình giếng được xây dựng trên phần mềm chuyên dụng Olga với các
thông số giếng thực tế của HT-3P, hiệu chỉnh và khớp lịch sử để đảm bảo độ tin
cậy của mô hình, tiến hành chạy mô phỏng để đánh giá chế độ nhiệt, áp trong
giếng, trạng thái dòng chảy trong giếng qua đó dự báo nguy cơ ngưng tụ và tích
tụ lỏng trong giếng.

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.

22


Hình 9. Sơ đồ cấu trúc và quỹ đạo giếng HT-3P trên phần mềm Olga
Hệ số trao đổi nhiệt
Trao đổi nhiệt từ hệ chất lưu trong giếng với nhiệt độ môi trường được mô
phỏng thông qua giá trị OHTC (overall heat transfer coefficient). Hệ số trao đổi
nhiệt được sử dụng dựa trên thông số vật liệu ống chống và ống khai thác để mô
phỏng sự tổn hao nhiệt độ theo thân giếng phù hợp với thực tế khai thác. Cụ thể
với giếng HT-3P, hệ số trao đổi nhiệt U= 6W/m2C được sử dụng để khớp chính
xác quá trình thay đổi từ nhiệt độ vỉa 152oC ở đáy giếng giảm đến 52 oC tại
miệng giếng như hình 10 dưới đây.

Hình 10. Kết quả thay đổi nhiệt độ từ đáy giếng lên miệng giếng khớp với kết
quả đo nhiệt độ thực tế tại miệng giếng trong Q1/2015 (52 oC)
23


Tính chất hệ chất lưu
Thành phần khí HT-3P đưa vào mô hình được lấy từ kết quả phân tích thử
vỉa. Các kết quả phân tích mẫu chất lưu cũng như xây dựng mô hình chất lưu vỉa
(PVT Modeling) được thực hiện và sử dụng thống nhất giữa mô hình vỉa (chuyên
đề 1) và mô hình giếng khai thác (hình 11).

Hình 11. Giản đồ pha của khí vỉa mỏ Hải Thạch ( HT-3P)
Phục hồi lịch sử
Việc phục hồi lịch sử khai thác giếng HT-3P được thực hiện nhằm đảm
bảo mức độ phù hợp giữa mô hình mô phỏng và động thái thực tế của giếng cũng
như đảm bảo mức độ tin cậy trong các đánh giá về hiện tượng liquid loading

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