KỸ THUẬT DẦU KHÍ ĐẠI CƯƠNG MỎ DẦU KHÍ

KỸ THUẬT DẦU KHÍ ĐẠI CƯƠNG


MỎ DẦU KHÍ

TÓM TẮT NỘI DUNG
Nội dung chương này đề cập đến các vấn đề cơ bản liên quan đến
quá trình tìm kiếm thăm dò và phát triển mỏ dầu khí bao gồm:
 Các tính chất chứa-thấm của đá chứa; Tính chất PVT của chất lưu
 Các Năng lượng tự nhiên của mỏ; Lượng dầu khí tại chỗ và thu hồi
 Quá trình thăm dò và phát triển mỏ
 Dây truyền sản xuất dầu khí thương mại


MỎ DẦU KHÍ

KẾT THÚC CHƯƠNG SINH VIÊN CẦN NẮM ĐƯỢC
Phân biệt “Tích tụ” và “Mỏ”
Các tính chất chứa-thấm của đá chứa bao gồm: độ rỗng, độ bão hòa, độ
thấm; Lượng dầu khí tại chỗ và thu hồi; Các tính chất PVT của chất lưu bao
gồm: Yếu tố thể tích, yếu tố khí, phương trình trạng thái của khí thực
Các dạng năng lượng tự nhiên trong mỏ và các cấp độ thu hồi dầu
Phân biệt quá trình “Thăm dò” và “Phát triển mỏ”
Các bước kỹ thuật trong dây truyền sản xuất dầu khí thương mại


TÍCH TỤ VÀ MỎ
 Tích tụ và mỏ
 Tích tụ: Tích tụ là tên gọi chung của các cấu trúc chứa HC
 Mỏ: Tích tụ có ý nghĩa kinh tế khai thác (có giá trị công nghiệp) gọi là Mỏ
 Mỏ có thể gồm một hoặc nhiều tích tụ dạng vỉa, dạng khối hoặc dạng

vòm
 Giá trị công nghiệp được quyết địch bởi:
 Lượng HC tại chỗ, phụ thuộc vào thể tích và độ rỗng
 Lượng HC có thể thu hồi, phụ thuộc vào độ thấm của đất đá, độ
nhớt của chất lưu và năng lượng tự nhiên trong tích tụ
 Chất lượng HC
 Tính chất của đá chứa và chất lưu
Ngày nay số mỏ có quy mô lớn dễ thu hồi gần như đã hết, chỉ còn lại các
mỏ nhỏ khó thu hồi. Tuy nhiên, kỹ thuật thu hồi không ngừng tiến bộ nên
các tích tụ nhỏ, khó thu hồi cũng trở thành các đối tượng có giá trị công
nghiệp


TÍNH CHẤT CHỨA THẤM CỦA ĐÁ CHỨA VÀ LƯỢNG DẦU TẠI CHỖ

 Tính chất chứa-thấm của đá chứa và lượng dầu tại chỗ
 Độ rỗng:

Φ=

The tich rong (kha nang tham chua) Vrong
=
,% hoac phan don vi
Don vi the tich da
Vda

 Độ rỗng có thể được chia ra:
 Độ rỗng vật lý: Gồm toàn bộ thể tích rỗng có trong đá
 Độ rỗng động học: Gồm các không gian rỗng có liên hệ với nhau
 Độ rỗng động lực học: Chỉ gồm các không gian rỗng cho phép chất

lưu chuyển động khi có chênh áp
 Trong không gian rỗng có thể tồn tại 3 loại chất lưu là dầu, khí và nước.
Dùng khái niệm độ bão hòa S (So, Sg, Sw) để chỉ phần thể tích một chất
lưu chiếm chỗ


TÍNH CHẤT CHỨA THẤM CỦA ĐÁ CHỨA VÀ LƯỢNG DẦU TẠI CHỖ
 Độ bão hòa
Trong không gian rỗng có thể tồn tại 3 loại chất lưu là dầu, khí và nước. Dùng
khái niệm độ bão hòa S (So, Sg, Sw) để chỉ phần thể tích một chất lưu chiếm
chỗ:

S=

Vchat luu
Vrong

 Trong mỏ dầu 1 pha:

So + Swc = 1

 Trong mỏ khí 1 pha:

Sg + Swc = 1

 Trong mỏ 2 pha:

So + Sg + Swc = 1

Swc hoặc Swi phụ thuộc vào kích thước lỗ rỗng, thành phần sét, hàm

lượng muối và thay đổi từ 8-70%. Phần độ rỗng còn lại gọi là độ rỗng hiệu
dụng hoặc rỗng HC
 Thể tích HC tại chỗ:
VHC = Vo + Vg = Vb Φ(1 – Swc)
Vb- thể tích gộp (gồm cả phần khối và rỗng của đá chứa


TÍNH CHẤT CHỨA THẤM CỦA ĐÁ CHỨA VÀ LƯỢNG DẦU TẠI CHỖ
 Độ thấm của đá chứa
Dòng chảy chất lưu trong đá rỗng được gọi là dòng qua môi trường rỗng thực
chất là dòng thấm và tuân theo định luật thấm tuyến tính Darcy
 Dòng chảy thẳng
A
B

k dp
v=− ×
µ dl

 Dòng hướng tâm

l
PA > P B

k dp
v= ×
µ dr

B

r

A

trong đó
• µ- Độ nhớt động lực học, đơn vị kG.m-1s-1 hay Pa.s

dp dp
,
•
dl dr - Gradient áp suất theo quãng đường
• k- Hệ số phụ thuộc vào tính chất đất đá được gọi là độ thấm, đơn vị
là D (Darcy) hoặc mD, 1D ≈ 10-8 cm2 hoặc 10-12 m2


TÍNH CHẤT CHỨA THẤM CỦA ĐÁ CHỨA VÀ LƯỢNG DẦU TẠI CHỖ
 Tùy theo số lượng chất lưu chuyển động chia ra
 Độ thấm tuyệt đối (k): Là giá trị thấm khi chỉ có một chất lưu chuyển động
 Độ thấm pha (ko, kg, kw): Là giá trị độ thấm khí có 2 hoặc 3 chất lưu chuyển
động (tổng độ thấm pha không bằng độ thấm tuyệt đối
 Độ thấm tương đối: Là tỷ số giữa độ thấm pha và độ thấm tuyệt đối

kg
ko
k
k ro = , k rg = , k rw = w
k
k
k
k

 Độ thấm pha và độ thấm tương đối phụ
thuộc và độ bão hòa
 Dòng thấm chỉ xuất hiện khi đạt tới một
giá trị bão hòa tới hạn nào đó
 Khi 2 pha cùng chuyển động, độ thấm
pha không bao giờ đạt giá trị tuyệt đối

k

ko

ko

0
1

Swc

Sw
So

kw
kw

Sor

1
0

TÍNH CHẤT PVT CỦA CHẤT LƯU
 Tính chất PVT của chất lưu
Là mối liên hệ giữa thể tích, nhiệt độ, áp suất của chất lưu. Nó bao gồm:
yếu tố thể tích, tỷ lệ khí hòa tan, phương trình trạng thái khí
 Yếu tố thể tích (B):
Là tỷ số giữa thể tích trong điều kiện mỏ và điều kiện chuẩn

B=

Vrc
Vsc

• Bo = 1,2 ÷ 3,5: Khi đưa từ mỏ lên mặt đất, thể tích dầu giảm do
nhiệt độ, áp suất giảm khí tách ra khỏi dầu
• BW ≈ 1: Khi đưa từ mỏ lên mặt đất, thể tích nước gần như không
thay đổi vì nước là chất chịu nén và kém hòa tan
• Bg ≈ 0,0x ÷ 0,00y: Khi đưa từ mỏ lên mặt đất, thể tích khí tăng lên
rất lớn để tiện sử dụng dùng hệ số giãn nở

1
Eg =
Bg


TÍNH CHẤT PVT CỦA CHẤT LƯU
 Tỷ lệ khí hòa tan trong chất lỏng (yếu tố khí- R)
 Là số thể tích khí có thể hòa tan trong một đơn vị thể tích lỏng tại điều
kiện áp suất và nhiệt độ vỉa:

R=

Vg
Vl

, m3 / m 3 (SCF/STB)

 R cũng có thể được biểu thị bằng đơn vị thể tích khí trong một đơn vị
trọng lượng dầu m3/tấn, R = 120 ÷ 150m3/tấn:
 Dầu đen có R thấp, khí hòa tan chủ yếu là metan
 Dầu sáng màu có R cao
 Dầu không có khí hòa tan gọi là dầu chết
 R thay đổi theo áp suất nên có thể dùng khái niệm hệ số khí hòa tan là
thể tích khí hòa tan được khi gia tăng một đơn vị áp suất:

α=

R
, m3 / m3 .at
p


TÍNH CHẤT PVT CỦA CHẤT LƯU

T = const

0

T = const

pb
Áp suất

pi

0

pb
Áp suất

pi

Bg

E

0

Áp suất

pi

Sự thay đổi yếu tố thể tích và yếu tố khí theo áp suất


TÍNH CHẤT PVT CỦA CHẤT LƯU
 Phương trình trạng thái của khí thực
 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng: pV = nRT
 Khí HC được xem là khí thực, theo Beattie – Bridgeman phương trình
trạng thái của khí thực như sau:

pV = ZnRT
• p- Áp suất, Psi
• V- Thể tích, ft3
• T- Nhiệt độ tuyệt đối, oR = oF + 460
• n- Số pound-mole (1pound-mole là trọng lượng phân tử khí đo bằng
pound, lb)
• R- Hằng số khí
• Z- Yếu tố hiệu chỉnh (yếu tố khí nén), được xác định theo 3 phương
pháp: Thí nghiệm mẫu, dùng đồ thị Standing-Katz, Tính toán trực tiếp


MỎ DẦU KHÍ

Từ Z có thể xác định được một số thông số khác như hệ số giãn nở
E, mật độ ρ... , ví dụ:

Eg =

p
T
p
1 Vsc RTsc
=
=
× rc = sc × rc
Bg Vrc
psc RTrc Zrc psc Trc Zrc

Ở điều kiện chuẩn áp suất bằng 14,7 Psia, nhiệt độ bằng 460oR nên

E g = 35,37

p rc
Trc Zrc


NĂNG LƯỢNG TỰ NHIÊN TRONG MỎ
 Năng lượng tự nhiên trong mỏ
Trong các mỏ HC tồn tại nguồn năng lượng tự nhiên sinh ra nhờ áp suất,
nhiệt độ tích lũy quá trình hình thành và tồn tại. Chúng ở các dạng đàn hồi,
tách khí, phân ly trọng lực và góp phần vào việc nâng sản phẩm lên mặt
 Năng lượng đàn hồi
 Là dạng phổ biến nhất
 Dầu, khí, nước, đất đá bị nén dưới áp suất cao sẽ co lại và tạo thế năng
→ Khi áp suất giảm sẽ sinh giãn nở tạo động năng → HC chuyển động
 Khả năng đàn hồi (co, giãn) được đánh giá qua hệ số nén đẳng nhiệt c

c=−
•
•
•
•

1 dV 1
× ,
V dp at

V- Thể tích một pha nào đó
p- Áp suất
Dấu “-” cho thấy V và p biến thiên ngược nhau

Khi giảm áp tất cả các pha đều giãn nở
c g > co > cr > cw


NĂNG LƯỢNG TỰ NHIÊN TRONG MỎ
 Năng lượng tách khí
 Đặc trưng cho mỏ dầu có khí hòa tan
 Khi áp suất giảm, khí tách ra khỏi dầu làm tăng thể tích, vì cg lớn sẽ






tạo động năng cho dòng chất lưu
Năng lượng phân ly trọng lực
Các chất lưu nặng nhẹ khác nhau sẽ phân ly theo phương tác động
của trọng trường
Mức độ phân ly phụ thuộc vào:
 Độ dốc của các tích tụ
 Độ thấm theo phương thẳng đứng
 Chênh lệch tỷ trọng giữa các pha
Co ngót của đất đá
Khi áp suất trong các lỗ rỗng giảm → trọng lượng đất đá phía trên
làm thể tích các lỗn rỗng giảm → chất lưu được giải phóng
Các mỏ có vùng kế cận quy mô lớn, tổng năng lượng tự nhiên đủ lớn
để đẩy chất lưu lên mặt hiệu quả. Các loại mỏ còn lại phải bổ sung
thêm năng lượng nhân tạo

LƯỢNG DẦU KHÍ TẠI CHỖ VÀ THU HỒI
 Lượng dầu khí tại chỗ và thu hồi
 Lượng dầu khí tại chỗ
Là toàn bộ chất lưu có ích tồn tại trong mỏ ở điều kiện ban đầu.
 Giai đoạn thăm dò: Tính theo phương pháp thể tích
 Giai đoạn khai thác: Chính xác theo quy luật bảo toàn vật chất và quy luật
suy giảm năng lượng
 Mỏ có thể tích V, độ rỗng trung bình Φ, bão hòa nước ban đầu Swc sẽ có:

N i = Vφ(1 − Swc )

1
Boi

G i = Vφ(1 − Swc )

1
= Vφ(1 − Swc )E i
Bgi


LƯỢNG DẦU KHÍ TẠI CHỖ VÀ THU HỒI
 Do dầu khí cùng có độ bão hòa giới hạn, tại đó không chảy nữa nên còn có khái
niệm dầu khí tại chỗ linh động để đánh giá khả năng thu hồi tối đa

N M = Vφ(1 − Swc − Sor )

1
Boi

G M = Vφ(1 − Swc − Sgr )E i
Sor, Sog- Bão hòa giới hạn (bão hòa tàn dư) của dầu và khí
 Hệ số thu hồi
 Giả sử thể tích dầu thu hồi được là Np và khí là Gp thì hệ số thu hồi:

RF =

Np
Ni

và

RF =

Gp
Gi

 RF nằm trong khoảng 0 ÷ 1 và được quyết định bởi các yếu tố:
 Tiến bộ kỹ thuật, trình độ của cán bộ chuyên môn
 Ý nghĩa kinh tế, chọn giá trị còn có lợi nhuận
 Môi sinh: Ô nhiễm trên mặt và trong lòng đất không vượt giới hạn cho phép


LƯỢNG DẦU KHÍ TẠI CHỖ VÀ THU HỒI

 Thu hồi sơ cấp
Giá trị thu hồi nhờ vào năng lượng tự nhiên, áp dụng cho tất các các loại mỏ
 Mỏ khí không ngập nước → RF = 90%
 Mỏ dầu có vùng ngập nước lớn → RF = 80%
 Mỏ dầu 1 pha → RF = 3% áp suất đã đạt giá trị bão hòa → để tăng RF cần

bổ sung năng lượng
 Thu hồi thứ cấp
Bổ sung năng lượng vào vỉa → áp suất vỉa suy giảm chậm bằng giải pháp
bơm ép không trộn lẫn (thay thế không trộn lẫn)
 Ép nước: Dùng cho mỏ 1 pha hoặc mỏ dầu có mũ khí → RF = 80%
 Ép khí HC: Sử dụng cho các mỏ khí ngưng tụ


LƯỢNG DẦU KHÍ TẠI CHỖ VÀ THU HỒI

 Thu hồi sơ cấp
Giá trị thu hồi nhờ vào năng lượng tự nhiên, áp dụng cho tất các các loại mỏ
 Mỏ khí không ngập nước → RF = 90%
 Mỏ dầu có vùng ngập nước lớn → RF = 80%
 Mỏ dầu 1 pha → RF = 3% áp suất đã đạt giá trị bão hòa → để tăng RF cần
bổ sung năng lượng
 Thu hồi thứ cấp
Bổ sung năng lượng vào vỉa → áp suất vỉa suy giảm chậm bằng giải pháp
bơm ép không trộn lẫn (thay thế không trộn lẫn)
 Ép nước: Dùng cho mỏ 1 pha hoặc mỏ dầu có mũ khí → RF = 80%
 Ép khí HC: Sử dụng cho các mỏ khí ngưng tụ


LƯỢNG DẦU KHÍ TẠI CHỖ VÀ THU HỒI
 Thu hồi Tam cấp
 Được thực hiện khi đã sử dụng biện pháp thứ cấp nhưng RF vẫn thấp, áp
suất giảm nhanh, dầu tàn dư còn trên 30%.
 Ngoài việc duy trì áp suất còn dùng các giải pháp thay đổi tính chất vật lý của
dầu và nước bơm ép. Mục tiêu:
 Thay đổi độ nhớt của chất thay thế (nước) và chất được thay thế (dầu)

 Giảm sức căng bề mặt giữa 2 pha, tăng độ bão hòa dầu So
 Giải pháp chủ yếu:
 Thay thế trộn lẫn: Ép các tác nhân có thể hòa tan vào dầu (khí HC, khí
hóa lỏng N, CO2, polyme, nước nóng, hơi quá nhiệt...) làm tăng So và
giảm µ
 Dùng hoạt chất bề mặt:
 Giảm sức căng giữa nước và dầu, giảm Sor (RF ≈ 90%)


THĂM DÒ VÀ PHÁT TRIỂN MỎ
 Thăm dò và phát triển mỏ
 Thăm dò mỏ
 Việc thăm dò có nhiệm vụ đánh giá giá trị công nghiệp để phân loại, thuộc
nhiệm vụ của các nhà địa chất, địa vật lý
 Các chuyên gia địa chất chỉ ra bồn trũng (bể trầm tích) với các đối tượng
sinh, chứa, chắn
 Các chuyên gia địa vật lý chỉ ra cấu trúc có triển vọng tích tụ dầu
 Các chuyên gia khoan thực hiện các giếng khoan để minh chứng chắc
chắn các dự đoán của các chuyên gia địa chất và địa vật lý thông qua các
kết quả nghiên cứu
 Thí nghiệm mẫu đá, mẫu chất lưu
 Đo địa vật lý công nghiệp trong giếng
 Nghiên cứu thủy động
 Sau khi có các thông số giá trị công nghiệp sẽ trình hội đồng các cấp cho
phép gọi thầu đưa mỏ vào phát triển


THĂM DÒ VÀ PHÁT TRIỂN MỎ
 Phát triển mỏ
Là quá trình từ khi phát hiện giá trị công nghiệp cho tới khi loại bỏ mỏ, bao gồm

các bước thiết kế, xây dựng và vận hành phát triển mỏ:
 Thiết kế công nghệ phát triển mỏ (mỗi thiết kế phải có chỉ tiêu là RF và chất
lượng chất lưu):
 Thiết kế mở vỉa:
 Địa chất: Mổ tả cấu trúc địa chất, tính chất chất lưu, phương án
khoan, phương án khai thác giếng,
 Sơ đồ mở vỉa: Mạng lưới bố trí giếng, số lượng giếng (quỹ giếng đơn
vị cơ bản, quỹ giếng dự phòng)
 Thiết kế thu gom
 Thiết kế tách pha, xử lý chất lưu
 Thiết kế hệ thống đường ống nội mỏ
 Thiết kế cất chứa, vận chuyển chất lưu
 Thiết kế chỉnh sửa và bổ sung: Theo thời gian các hiểu biết về mỏ tăng và
chính xác hơn → các thiết kế ban đầu sẽ được chỉnh sửa, bổ sung


THĂM DÒ VÀ PHÁT TRIỂN MỎ
 Xây dựng và vận hành phát triển mỏ
Gồm 4 giai đoạn đối với mỏ dầu và 3 giai đoạn đối với mỏ khí
 Các giai đoạn của mỏ dầu: Gia tăng, ổn định, suy giảm và tận thu
 Giai đoạn 1: Sản lượng tăng liên tục do
hoàn thành các quỹ giếng cơ bản
Gia
Ổn
Suy
tăng(1)
định
giảm
(2)
(3)

 Giai đoạn 2: Sản lượng đạt giá trị cao
nhất, chỉ thực hiện thêm các giếng dự
phòng
 Giai đoạn 3: Sản lượng suy giảm liên tục
do năng lượng mỏ giảm
 Giai đoạn 4: Sản lượng thấp, sử dụng
Gia
Ổn
biện pháp thu hồi tăng cường
tăng(1)
định
(2)
 Các giai đoạn của mỏ khí:
 Giai đoạn 1: Sản lượng tăng nhanh
 Giai đoạn 2: Ổn định
 Giai đoạn 3; Suy giảm nhanh

Tận
thu(4)

t, Np

Suy
giảm
(3)

t, Gp


DÂY TRUYỀN SẢN XUẤT DẦU KHÍ THƯƠNG MẠI

 Dây truyền sản xuất dầu khí thương mại
Là quá trình điều khiển hợp lý dòng dầu từ vỉa lên mặt qua hệ thống thu
gom và làm cho HC đạt giá trị thương mại. Việc điều khiển hợp lý các
dòng qua đất đá, đường ống và thiết bị công nghệ phải đảm bảo:
 RF cao nhất
 Tiêu hao năng lượng nhỏ nhất
 Sản phẩm đạt câp thương mại cao nhất


DÂY TRUYỀN SẢN XUẤT DẦU KHÍ THƯƠNG MẠI
 Sơ đồ toàn cảnh kỹ thuật dầu khí gồm 3 bước
 Bước 1: Điểu khiền dòng chảy từ vỉa vào giếng, sử dụng dòng định luật Darcy
cho dòng hướng tâm. Dòng chảy xuất hiện khi:

pr − p wf = ∆p > 0

∆p phải đủ lớn để khắc phục tổn hao ma sát qua đất đá

 Bước 2: Điều khiển từ đáy giếng lên miệng, sử dụng định luật Bernoulli. Để có
dòng chảy, pwf phải đủ lớn để sau khi chảy qua ống thẳng đứng còn lại giá trị dư
là pwh.

3

Máy nén khí

Trạm xử lý khí

Đến nhà máy chế biến khí

Dòng chảy HC qua ống xảy
ra sự tách pha nên khi áp suất <
ps sẽ là dòng 2 pha với những

Tách pha lỏng khí
 

pwh

Ống gom khí
 
Ống gom dầu
 
Ống gom nước vỉa
 

cấu trúc khác nhau

Đến nhà máy lọc dầu
Xử lý dầu

Bể chứa và trạm bơm
 
Nước thải

Xử lý nước

Nước ép vỉa

Giếng HC

2
pwf

Mỏ HC

1

pr