Ứng dụng phương pháp bơm ép nước có nồng độ muối thếp gia tăng hệ số thu hồi dầu trong mỏ x

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

NGÔ LÂM THANH TÂM

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP BƠM ÉP NƯỚC CÓ NỒNG
ĐỘ MUỐI THẤP GIA TĂNG HỆ SỐ THU HỒI DẦU
TRONG MỎ X”

Chuyên ngành: KỸ THUẬT DẦU KHÍ
Mã số: 60 52 06 04

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, năm 2016


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Mai Cao Lân
Cán bộ chấm nhận xét 1:
Cán bộ chấm nhận xét 2:
Luận văn thạc sỹ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 22
tháng 07 năm 2016.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch:
2. Thư ký:
3. Phản biện 1:
4. Phản biện 2:
5. Ủy Viên:
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau

khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

I


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐH. BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-------------------------------

-------------------------------------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Ngô Lâm Thanh Tâm

MSHV: 7140313

Ngày, tháng, năm sinh: 14/12/1990

Nơi sinh: Tây Ninh

Chuyên ngành: Kỹ thuật Dầu Khí

Mã số: 60520604

I. TÊN ĐỀ TÀI:

“Ứng dụng phương pháp bơm ép nước có nồng độ muối thấp gia tăng hệ số thu hồi
dầu trong mỏ X”
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nhiệm vụ: Nghiên cứu về các cơ chế tác động chính, nhân tố ảnh hưởng, mơ hình tính tốn
của phương pháp bơm ép nước có nồng độ muối thấp. Mơ hình hóa và mơ phỏng quá trình
thu hồi dầu bằng phương pháp LSW.
Nội dung: Luận văn trình bày các vấn đề: Tổng quan về phương pháp thu hồi dầu tăng
cường (EOR) và phương pháp bơm ép nước có nồng độ muối thấp (LSW), cơ chế tác động
chính, mơ hình tính tốn. Mơ hình hóa cơ chế tác động chính của LSW. Mơ phỏng q trình
bơm ép nước có nồng độ muối thấp trong mỏ X theo các phương án khai thác cần khảo sát,
từ đó lựa chọn phương án tối ưu có thể áp dụng trong thực tế.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2016
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/07/2016
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Mai Cao Lân.

Tp.HCM, ngày … tháng … năm 2016
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TRƯỞNG KHOA

II


LỜI CẢM ƠN

Sau một quãng thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa thành phố
Hồ Chí Minh. Luận văn thạc sỹ với đề tài “ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP BƠM ÉP
NƯỚC CÓ NỒNG ĐỘ MUỐI THẤP GIA TĂNG HỆ SỐ THU HỒI DẦU TRONG
MỎ X” đã được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy Mai Cao Lân thuộc khoa Kỹ thuật
Địa chất và Dầu khí trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh. Thầy đã tận tình chỉ dẫn
cũng như dạy bảo, truyền đạt những kiến thức q báu để tơi có thể hồn thành luận văn
của mình .Tơi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt sâu sắc và chân thành đến thầy.
Cảm ơn đến những thầy cơ trong và ngồi nhà trường đã tạo điều kiện thuận lợi và chỉ dạy
những kiến thức chun mơn cho tơi hồn thành khóa học. Bên cạnh đó cũng khơng qn
gửi lời cám ơn đến những người bạn, những đồng nghiệp đã bên cạnh động viên và hỗ trợ
những tài liệu bổ ích để tơi hồn thành luận văn.
Sau cùng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình đã ln bên cạnh, động viên và là chỗ
dựa vững chắc nhất để tôi an tâm thực hiện luận văn.
Học viên

Ngô Lâm Thanh Tâm

III


ABSTRACT
The global average recovery factor for a typical oilfield is approximately 40%. This results
in a large amount of identified oil left behind despite an existing production infrastructure.
The need to improve the recovery factor and the accelerating of the associated production
is the main driver behind the many EOR schemes in practice around the world.
Waterflooding is applied intensively worldwide to improve oil recovery. It was observed
that injection of low salinity water can enhance oil recovery as compared to high salinity
water injection. This technology attracts the industry's interest due to its simplicity and low
cost. The best known proposed mechanisms for low salinity effect are fines migration, pH
increase, double layer expansion and multicomponent ionic exchange (MIE). Even though

many mechanisms have been proposed, none of them have been accepted as the main
mechanism behind the low salinity effect. The complex oil/brine/rock interactions are still
being debated in the literature. The type of clays present in the sandstone and polar
components in the crude oil, are important factors for observing low salinity effect. The
temperature and the amount of divalent cations in the formation water, especially Ca2+ and
Mg2+, are also important factors for observing low salinity effect. It is assumed that the
low salinity effect is a result of altering the wettability of the rock to a more water-wet
condition. The rock becomes more water-wet when organic material is desorbed from the
clay surface. Low initial pH is important in order for adsorption of polar components to the
permanent negatively charged clay surface to occur. Desorption of Ca2+ ions from the clay
surface and desorption of organic material from the clay surface will occur as a result of
acid/base reactions. This will promote a pH increase.
The objectives of this paper are to investigate the efficiency of low salinity water in
secondary and tertiary recovery modes, and to understand the mechanisms by which the
water salinity improves the oil recovery. Furthermore, the experimental work was
conducted to study the applicability of low salinity water as an EOR technique in the field.
Therefore, crude oil and synthetic brines were used; these brines were prepared at salt
concentrations similar to a real case. In addition, all the experiments were run at high
temperature to simulate reservoir conditions. Coreflood experiments using sandstone
IV


outcrop cores in X field are presented to show the improvement of oil recovery by low
salinity water flooding. Analysis of aqueous solution flowing out from cores during
coreflood experiments was studied to determine the details of ion exchange between rock
and water. The relationship between ion exchange and wettability alteration is investigated.

V

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Trong tình cảnh nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng, nhưng nguồn cung ngày càng cạn
kiệt, phương pháp bơm ép nước có nồng độ muối thấp (LSW) đang mở ra một hướng đi
mới, giúp tận thu lượng dầu dư cịn sót lại trong lịng đất. Tuy nhiên, để áp dụng phương
pháp này một cách hiệu quả cần hiểu rõ bản chất, tác động của môi trường đến phương
pháp. Với tính cấp thiết trên, đề tài “Ứng dụng phương pháp bơm ép nước có nồng độ muối
thấp gia tăng hệ số thu hồi dầu trong mỏ X” được chọn để nghiên cứu trong luận văn này.
Phần mở đầu của luận văn tổng hợp các kết quả, tình hình nghiên cứu LSW trong phịng
thí nghiệm và trên phạm vi mỏ, trong nước và trên thế giới. Nhìn chung, phương pháp LSW
đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi từ những năm 1990 trên thế giới. Tuy nhiên, tình
hình nghiên cứu ở Việt Nam vẫn cịn khá hạn chế với rất ít bài báo được xuất bản. Do đó,
luận văn này sẽ giúp người đọc có thêm nhiều kiến thức cần thiết về phương pháp này.
Ngoài ra, đây cũng là luận văn Thạc Sĩ đầu tiên trình bày về đề tài này tại trường ĐH. Bách
Khoa TP.HCM.
Chương 1 của luận văn hệ thống hóa nền tảng lí thuyết của phương pháp LSW (các khái
niệm cơ bản về độ thấm tương đối, cơ chế tác động, ảnh hưởng môi trường…). Nhiều
nghiên cứu trong phịng thí nghiệm đã chỉ ra ba (3) cơ các chế tác động chính của LSW: sự
trao đổi ion đa thành phần (MIE), hiệu ứng hai lớp, sự gia tăng pH. Về lý thuyết, các cơ
chế này sẽ phá vỡ liên kết giữa dầu thô và bề mặt sét của đá vỉa, kết quả là làm tăng tính
linh động của dầu và tận thu được lượng dầu dư cịn sót lại trong lịng đất. Các nghiên cứu
cũng chỉ ra rằng mơi trường thích hợp để áp dụng phương pháp LSW là cát kết chứa sét,
đá vỉa dính ướt dầu hoặc có tính dính ướt hỗn hợp.
Đóng góp chính của luận văn được trình bày ở chương 2, trong đó 3 cơ chế chính của q
trình LSW được mơ hình hóa. Việc mơ hình hóa được thực hiện trên nguyên tắc mô tả ảnh
hưởng tổng hợp ảnh hưởng của 3 cơ chế này đến độ bão hòa nước tới hạn, độ bão hòa dầu
dư, độ thấm tương đối của dầu và nước, áp suất mao dẫn. Hay nói cách khác, việc mơ hình
hóa q trình này được thể hiện qua việc hiệu chỉnh đường cong độ thấm tương đối và
đường cong áp suất mao dẫn theo nồng độ muối. Q trình hiệu chỉnh có sử dụng các hệ số
F1, F2 là các trọng số dùng để mô tả sự thay đổi của đường cong độ thấm tương đối và
VI

đường cong áp suất mao dẫn. Các hệ số F1, F2 lớn hay nhỏ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như
tính chất vỉa chứa và dầu thơ, nồng độ muối có trong nước thành hệ và nước bơm ép … Kết
quả thu được cho thấy đá vỉa trở nên dính ướt nước hơn khi nồng độ muối trong nước bơm
ép giảm.
Phương pháp Jerauld et al. (2008)[9] cũng được áp dụng để mơ phỏng q trình thu hồi dầu
bằng phương pháp LSW trong mỏ X bằng phần mềm Eclipse 100 (2011.1). Kết quả mô
phỏng cho thấy, hệ số thu hồi dầu càng cao, thời gian nước xâm nhập càng chậm, hàm
lượng nước càng thấp khi nồng độ muối trong nước bơm ép càng giảm. Tuy nhiên, khả
năng phục hồi áp suất vỉa khi bơm nước có nồng độ muối thấp kém hơn so với bơm nước
biển. Ngoài ra, thời gian bơm ép LSW và nồng độ muối cũng ảnh hưởng đáng kể đến kết
quả thu được. Xem xét một số phương án khai thác cần thiết, kết quả cho thấy bơm ép luân
phiên nước biển và nước có nồng độ muối thấp cho kết quả tốt hơn phương án chỉ bơm ép
nước biển hoặc nước có nồng độ muối thấp, và nồng độ muối thích hợp để bơm ép trong
khoảng 1000 – 7000 ppm. Từ đó, tìm được phương án khai thác tối ưu trong thực tế.

VII


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP BƠM ÉP NƯỚC CÓ
NỒNG ĐỘ MUỐI THẤP GIA TĂNG HỆ SỐ THU HỒI DẦU TRONG MỎ X” là
cơng trình nghiên cứu của cá nhân tơi. Các số liệu trong luận văn là các số liệu trung thực.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2016

Ngơ Lâm Thanh Tâm

VIII

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................... 1
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. 3
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................... 4
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 5
1.

Tính cấp thiết của đề tài...................................................................................... 5

2.

Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 6

3.

Nội dung, nhiệm vụ, đối tượng nghiên cứu ........................................................ 6

4.

Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 7

5.

Tình hình nghiên cứu .......................................................................................... 7

6.

Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn ................................................................. 11

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 12
1.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 12
1.1.1. Tổng quan về phương pháp thu hồi dầu tăng cường (EOR) ....................... 12
1.1.2. Phương pháp bơm ép nước có nồng độ muối thấp (LSW) .......................... 14
1.2.3. Các khái niệm cơ bản .................................................................................. 17
1.2. Cơ chế tác động của phương pháp LSW ............................................................ 19
1.2.1. Trao đổi ion đa thành phần (MIE) .............................................................. 20
1.2.2. Hiệu ứng hai lớp (Double-layer effect) ....................................................... 22
1.2.3. Sự gia tăng độ pH ....................................................................................... 23
1.3. Ảnh hưởng của mơi trường ................................................................................ 26
CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH LSW CHO MỎ X ................................. 28
2.1. Thu thập số liệu đầu vào ..................................................................................... 29
2.2. Mơ hình hóa cơ chế MIE và hiệu ứng hai lớp .................................................... 33
2.3. Mơ hình hóa cơ chế gia tăng pH ......................................................................... 37
2.4. Kết luận ............................................................................................................... 40


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 3. MƠ PHỎNG Q TRÌNH THU HỒI DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP
LSW ............................................................................................................................... 41
3.1. Mục đích.............................................................................................................. 41
3.2. Q trình mơ phỏng ............................................................................................ 41
3.2.1. Thu thập thơng số đầu vào ........................................................................... 41
3.2.2. Lập danh sách các phương án khai thác cần khảo sát ................................ 45
3.2.3. Chạy mô phỏng ............................................................................................ 47
3.2.4. Phân tích kết quả.......................................................................................... 49

3.3. Kết luận ............................................................................................................... 58
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 64
PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 65
1.

Lí do sét tích điện âm vĩnh viễn ...................................................................... 65

2.

Cấu trúc và đặc tính của khống vật sét .......................................................... 66

3.

Thành phần phân cực của dầu thô ................................................................... 68


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Mơ tả các giai đoạn thu hồi dầu ..................................................................... 14
Hình 1.2. Minh họa hệ số qt thể tích .......................................................................... 14
Hình 1.3. Số lượng bài báo về LSW được công bố qua các năm .................................. 15
Hình 1.4. Đường cong độ thấm tương đối trong hai q trình hấp thụ và tháo khơ ...... 18
Hình 1.5. Đường cong độ thấm tương đối minh họa cho đá dính ướt dầu và nước ...... 19
Hình 1.6. Các dạng liên kết giữa thành phần phân cực trong dầu thơ và bề mặt sét ..... 20
Hình 1.7. Q trình trao đổi ion đa thành phần (MIE)................................................... 22
Hình 1.8. Quá trình hoạt động của cơ chế hiệu ứng hai lớp .......................................... 23
Hình 1.9. Sự di cư của các hạt mịn ............................................................................... 23
Hình 2.1. Tóm tắt q trình thí nghiệm mẫu lõi ............................................................ 30

Hình 2.2. Đường cong độ thấm tương đối trong hai trường hợp bơm ép nước biển và
LSW ............................................................................................................................... 36
Hình 3.1. Sự phân bố độ rỗng trong mơ hình vỉa chứa .................................................. 43
Hình 3.2. Sự phân bố độ thấm theo phương X trong mơ hình vỉa chứa ........................ 43
Hình 3.3. Sự phân bố độ thấm theo phương Y trong mơ hình vỉa chứa ........................ 43
Hình 3.4. Sự phân bố độ thấm theo phương Z trong mơ hình vỉa chứa ........................ 43
Hình 3.5. Kết quả của phương án HS ............................................................................ 50
Hình 3.6. Kết quả của phương án LS ............................................................................. 51
Hình 3.7. Hệ số thu hồi dầu khi khoảng thời gian bơm LSW thay đổi.......................... 53
Hình 3.8. Lưu lượng dầu khai thác khi khoảng thời gian bơm LSW thay đổi .............. 53
Hình 3.9. Hàm lượng nước khi khoảng thời gian bơm LSW thay đổi........................... 54
Hình 3.10. Áp suất vỉa khi khoảng thời gian bơm LSW thay đổi.................................. 54
Hình 3.11. Hệ số thu hồi dầu khi nồng độ muối của nước bơm ép thay đổi ................. 56
Hình 3.12. Lưu lượng dầu khai thác khi nồng độ muối của nước bơm ép thay đổi ...... 56
Hình 3.13. Hàm lượng nước khi nồng độ muối của nước bơm ép thay đổi .................. 57
Hình 3.14. Áp suất vỉa khi nồng độ muối của nước bơm ép thay đổi .......................... 57

1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 3.15. Độ bão hịa dầu trước khi bơm LSW ........................................................... 59
Hình 3.16. Độ bão hịa dầu sau khi bơm LSW theo phương án HS-LS-HS2 ................ 59
Hình 4.1. Thành phần khống vật sét có trong đất đá ................................................... 65
Hình 4.2. Cấu trúc mạng tinh thể của 4 loại khống vất sét .......................................... 67
Hình 4.3. Biểu đồ thể hiện ba nhóm thành phần chính của dầu thơ .............................. 68
Hình 4.4. Cấu trúc hóa học của dầu thơ ......................................................................... 69
Hình 4.5. Cấu trúc hóa học của axit napthenic .............................................................. 69
Hình 4.6. Cấu trúc hóa học của mạch vịng nitơ ............................................................ 70

2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Tổng kết một số trường hợp ứng dụng LSW trên phạm vi mỏ .................... 16
Bảng 1.2. Các cơ chế hấp thụ của hợp chất hữu cơ lên bề mặt khoáng vật sét ............. 21
Bảng 2.1. Bảng đường cong độ thấm tương đối khi bơm HSW (40000 ppm) .............. 30
Bảng 2.2. Bảng đường cong độ thấm tương đối khi bơm LSW (0 ppm)....................... 31
Bảng 2.3. Bảng độ bão hòa nước tới hạn và độ bão hòa dầu dư theo nồng độ muối .... 31
Bảng 2.4. Bảng độ thấm tương đối của dầu và nước theo nồng độ muối ...................... 32
Bảng 2.5. Bảng áp suất mao dẫn theo nồng độ muối ..................................................... 32
Bảng 2.6. Bảng minh họa giá trị Swcr, Sor, Krw, Kro tính được từ hệ số F1 giả định với
nồng độ muối 1000 ppm ................................................................................................ 35
Bảng 2.7. Bảng kết quả F1 theo phương pháp bình phương cực tiểu với nồng độ muối
1000 ppm ........................................................................................................................ 35
Bảng 2.8. Bảng hệ số F1 theo nồng độ muối ................................................................. 36
Bảng 2.9. Bảng minh họa giá trị Pcow tính được từ hệ số F2 giả định với nồng độ muối
1000 ppm ........................................................................................................................ 38
Bảng 2.10. Bảng kết quả F2 theo phương pháp bình phương cực tiểu với nồng độ muối
1000 ppm ........................................................................................................................ 39
Bảng 2.11. Bảng tổng hợp hệ số F1, F2 theo nồng độ muối.......................................... 39
Bảng 3.1. Tóm tắt các phương án khai thác có thể có ................................................... 47
Bảng 3.2. Tổng kết các từ khóa chun dụng mơ phỏng quá trình bơm LSW trong Eclipse
100 (2011.1) ................................................................................................................... 48
Bảng 3.3. Bảng tổng kết hệ số thu hồi dầu trong các phương án khai thác ................... 60
Bảng 4.2. Tính chất khoáng vật sét (Austad 2010b) ..................................................... 67

3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
HSW: nước có nồng độ muối cao (nước biển).
LSW: nước có nồng độ muối thấp.
MIE: quá trình trao đổi ion đa thành phần.

4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Dầu khí là một ngành cơng nghiệp chủ đạo của nước ta, giữ một vai trị rất quan
trọng trong cơng cuộc cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước và đóng góp vào ngân
sách nhà nước một nguồn ngoại tệ đáng kể, góp phần thúc đẩy sự phát triển nền kinh tế
nước nhà.
Trong tình cảnh nhu cầu năng lượng này càng cao, nhưng nguồn cung ngày càng
cạn kiệt, phương pháp thu hồi dầu tăng cường (EOR) đã mở ra một hướng đi mới giúp
duy trì và gia tăng sản lượng khai thác dầu trong giai đoạn khó khăn hiện nay. Trong đó,
bơm ép nước có nồng độ muối thấp (LSW) là một trong những phương pháp đang nhận
được nhiều sự quan tâm do những lợi ích mà phương pháp mang lại. Thứ nhất, có thể
được triển khai ngay trên những dự án mới hoặc dự án đã có sẵn đang hoạt động trên đất
liền hoặc ngoài biển. Thực tế đã chứng minh được ảnh hưởng tích cực trên các mỏ cát
kết và carbonat. Thứ hai, LSW khơng những có thể áp dụng độc lập mà còn kết hợp hiểu
quả với các phương pháp thu hồi dẩu tăng cường (EOR) hóa học như bơm ép polymer,

surfactant... Thật vậy, nhiều nghiên cứu trong phịng thí nghiệm và khai thác thử trên
phạm vi mỏ đã chứng minh hệ số thu hồi dầu tăng lên khi nồng độ muối trong nước bơm
ép giảm xuống. Tiêu biểu, McGuire et al., 2005 đã chỉ ra rằng bơm ép nước có nồng độ
muối thấp có thể gia tăng hệ số thu hồi dầu thêm 40% so với phương pháp bơm ép nước
truyền thống bằng nước biển khi được áp dụng trong những vỉa cát kết. LSW đang là
một giải pháp đầy hứa hẹn do 50% các mỏ dầu khí truyền thống trên thế giới đều được
tìm thấy trong các vỉa cát kết với hàm lượng khoáng vật sét khá cao, được xem là mơi
trường thích hợp để áp dụng phương pháp này.
Tuy nhiên, phương pháp này còn khá mới mẻ ở Việt Nam, số lượng bài báo viết
về đề tài này cũng rất hạn chế. Ngoài ra, việc tối ưu hóa phương pháp LSW hiện nay gặp
nhiều khó khăn do thiếu hiểu biết về các cơ chế tác động, nhân tố ảnh hưởng đến hiệu

5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

quả của phương pháp. Do đó, yêu cầu người kĩ sư công nghệ mỏ phải nắm rõ chun
mơn lẫn kinh nghiệm thực tiễn. Với tính cấp thiết ấy, được sự đồng ý và giúp đỡ của các
thầy cơ trong bộ mơn Khoan & Khai Thác Dầu Khí của khoa Kỹ Thuật Địa Chất & Dầu
Khí Trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh, đề tài được chọn: “ỨNG DỤNG
PHƯƠNG PHÁP BƠM ÉP NƯỚC CÓ NỒNG ĐỘ MUỐI THẤP GIA TĂNG HỆ SỐ
THU HỒI DẦU TRONG MỎ X”. Đây cũng là luận văn Thạc Sĩ đầu tiên trình bày về đề
tài này tại trường ĐH. Bách Khoa HCM.
2. Mục tiêu nghiên cứu
-

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phạm vi ứng dụng của phương pháp LSW, các cơ
chế chính, nhân tố ảnh hưởng.

-

Từ kết quả trong phịng thí nghiệm, mơ hình hóa lại cơ chế tác động chính của
phương pháp LSW, và mơ phỏng q trình thu hồi dầu bằng phương pháp LSW
để tìm phương án khai thác tối ưu nhất.

3. Nội dung, nhiệm vụ, đối tượng nghiên cứu
-

Nội dung: luận văn tập trung giải quyết các vấn đề
 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết: phạm vi ứng dụng của phương pháp LSW, thuận
lợi và rủi ro khi áp dụng trong phạm vi mỏ, các cơ chế chính, nhân tố ảnh
hưởng.
 Mơ hình hóa cơ chế tác động chính của LSW: thơng qua việc thay đổi độ bão
hòa tới hạn của nước, độ bão hòa dầu dư, độ thấm tương đối của chất lưu và
áp suất mao dẫn từ cơ sở lý thuyết đã có.
 Mơ phỏng quá trình thu hồi dầu bằng phương pháp LSW: để đánh giá ảnh
hưởng của thời gian bơm LSW và nồng độ muối đến kết quả thu được. Từ đó,
lựa chọn phương án khai thác tối ưu.

-

Nhiệm vụ:
 Thu thập, đánh giá và phân tích tài liệu gồm các bài báo, sách chun ngành.
 Mơ hình hóa các cơ chế tác động chính của LSW.
6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

 Tìm hiểu và ứng dụng phần mềm Eclipse 100(2011.1) trong q trình mơ
phỏng.
-

Đối tượng nghiên cứu: mỏ X.

4. Phương pháp nghiên cứu
-

Phương pháp thu thập tài liệu: thu thập, tổng hợp và phân tích các nghiên cứu liên
quan đã được cơng bố trong và ngồi nước.

-

Phương pháp thực nghiệm: nghiên cứu thực tế trong phịng thí nghiệm và tiến
hành khai thác thử trên phạm vi mỏ.

-

Phương pháp mơ phỏng số: xây dựng mơ hình dựa trên các giả thuyết có sẵn.

5. Tình hình nghiên cứu
Ngồi nước
Trong phịng thí nghiệm:
 Năm 1990, kết quả nghiên cứu của đại học Wyoming chỉ ra rằng nước bơm
ép với hàm lượng chất rắn hịa tan tổng cộng (TDS) khơng vượt quá 5000 ppm
sẽ góp phần làm cho lượng dầu thu hồi tăng lên so với phương pháp bơm ép
nước truyền thống bằng nước biển [9].
 Bernard (1997)[9] đã quan sát được sự gia tăng lượng dầu thu hồi bằng cách
cho giảm độ mặn từ 15000 ppm xuống còn 100 ppm khi bơm ép nước trong

phịng thí nghiệm.
 Tang and Morrow (1999)[9] và McGuire et al (2005)[9] đã chứng minh việc
giảm nồng độ muối trong nước bơm ép có thể làm gia tăng hệ số thu hồi dầu.
 Webb et al (2005)[9] cũng khẳng định hệ số thu hồi dầu có thể được cải thiện
khi áp dụng phương pháp bơm ép nước có nồng độ muối trong khoảng 10002000 ppm.
 Larger et al (2007)[9] đã báo cáo rằng hệ số thu hồi dầu gia tăng trung bình
14% khi áp dụng LSW, dựa trên các thí nghiệm ở những vỉa cát kết khác nhau.
7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

 Austad et al (2010)[9] đã đưa ra một cơ chế hóa học mới dựa trên tác động
của nước bơm ép có nồng độ muối thấp: cơ chế thay thế cation Ca2+ bởi cation
H+ trên bề mặt tích điện âm vĩnh viễn của lớp sét khi bơm ép nước có nồng
độ muối thấp, làm gia tăng độ pH cục bộ và giải phóng các vật liệu hữu cơ ra
khỏi bề mặt sét dẫn đến gia tăng hệ số thu hồi dầu.
Trong phạm vi mỏ:
 Từ những kết quả khả quan trong phịng thí nghiệm, nhiều cơng ty điều hành
dầu khí đã bắt đầu áp dụng LSW trên phạm vi mỏ trong suốt hai thập kỷ qua
(McGuire et al., 2005; Lager et al., 2008a, 2008b; Skrettingland et al., 2010;
Thyne and Gamage, 2011)[9].
 Lager et al. (2006)[9] cũng thu được kết quả khả quan khi áp dụng cho dầu có
hệ số axit thấp (acid number < 0.05) ở khu vực Biển Bắc (hệ số thu hồi dầu
tăng 40%).
 McGuire et al. (2005)[9] và Lager et al. (2008)[9] đã áp dụng bơm ép nước có
nồng độ muối 3000 ppm, từ kết quả theo vết hóa học cho giếng đơn (singlewell chemical-tracer tests - SWCTT), cho thấy hệ số thu hồi dầu gia tăng
khoảng 6- 12%. Một thí nghiệm LSW SWCTT thành công khác được thực
hiện bởi Seccombe et al. (2010)[9] trong vỉa dầu trưởng thành ở khu vực North
Slope, Alaska.

 Hơn nữa, nhiều bằng chứng lịch sử ở khu vực bồn trũng Powder River thuộc
Wyoming được báo cáo bởi Robertson (2010)[9] cũng cho thấy hệ số thu hồi
dầu có khuynh hướng gia tăng khoảng 12.4% khi nồng độ muối của nước bơm
ép giảm.
 Thyne and Gamage (2011)[9] đã xuất bản một bản đánh giá toàn diện về tác
động của LSW áp dụng thử cho 26 mỏ ở Wyoming.

8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

 LSW cũng được trông đợi là một giải pháp trong những vỉa mà phương pháp
khai thác truyền thống khơng mang lại hiệu quả do tính bất đồng nhất của vỉa
cao, nhiệt độ cao, nồng độ muối cao hoặc chứa nhiều tạp chất (Dang et al.,
2011c; 2014c)[9].
Mô hình tính tốn:
Dựa trên các cơ chế tác động chính của LSW: sự thay đổi tính dính ướt của đá vỉa,
q trình trao đổi ion, các phản ứng địa hóa giữa dầu thô và bề mặt đá vỉa, nhiều mô hình
hóa học và vật lí đã được đề xuất như sau:
 Jerauld et al. (2008)[9] đã xây dựng mơ hình diễn tả sự thay đổi tính dính ướt
của đá vỉa thông qua việc thay đổi đường cong độ thấm tương đối của dầu và
nước. Phương pháp của ông được xây dựng dựa trên mơ hình bơm ép nước
truyền thống của Buckley và Leveret. Từ kết quả thí nghiệm, tác giả đã tìm ra
các hệ số F1, F2 giúp hiệu chỉnh lại đường cong độ thấm tương đối như một
hàm của nồng độ muối trong nước bơm ép khi thông số này thay đổi.
 Omekeh et el. (2012)[9] đã đưa ra mơ hình diễn tả q trình trao đổi ion và sự
hòa tan chất rắn trong LSW. Tác giả xem xét dịng chảy hai pha dầu, nước có
chứa các ion Na+, Mg++, SO4- và Cl-. Các ions tham gia vào quá trình trao
đổi ion với bề mặt sét tích điện âm một cách nhanh chóng. Theo mơ hình, tổng

lượng ions hóa trị II được thải ra từ bề mặt đá làm thay đổi độ thấm tương đối
và dầu trở nên linh động hơn. Sự giải phóng của các ions hóa trị II được xem
là cơ chế chính của LSW. Tuy nhiên, lý thuyết trong mơ hình này đối lập với
một số kết quả nghiên cứu trong phịng thí nghiệm và trong phạm vi mỏ, mà
trong đó nồng độ ion hóa trị II giảm đáng kể. Hơn nữa, mơ phỏng q trình
này bằng các phần mềm chuyên dụng (compositional simulator) có bao gồm
các phản ứng địa hóa sẽ thuận lợi hơn mơ phỏng bằng mơ hình dịng chảy hai
pha cơ bản.

9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

 Rueslatten et al. (2008)[9] đã nghiên cứu LSW trên mẫu lõi North Slope (trong
đó độ pH tăng từ 5 đến 6) và đã tiến hành xây dựng mơ hình bằng phần mềm
địa hóa PHREEQC. Tuy nhiên, mơ hình này chỉ mơ hình hóa được sự thay
đổi độ pH ở mức tương đối do thành phần hữu cơ cực kì khó mơ phỏng. Phần
mềm địa hóa truyền thống như PHREEQC khơng thể xử lí một cách đầy đủ
các phản ứng hóa học phức tạp.
 Sorbie và Collin (2010)[9] đã giới thiệu một mơ hình giả định lượng (semiquantitative) để mơ tả q trình trao đổi ion đa thành phần trên mẫu lõi. Mơ
hình này cho thấy kết quả của sự thay đổi cặp lớp tích điện và sự hấp thụ của
thành phần hữu cơ phân cực. Tuy nhiên, kết quả tiên đốn của mơ hình thì
khơng thuyết phục và cần kết hợp với các nghiên cứu trong phịng thí nghiệm
để kiểm tra tính chính xác của mơ hình.
 Evje và Hiorth et al. (2012)[9] đã giới thiệu mơ hình kết hợp hai yếu tố: dịng
chảy hai pha dầu – nước và sự tương tác giữa đá và nước trong vỉa carbonate.
Mơ hình tập trung chủ yếu vào sự hòa tan của calcite, do tác giả tin rằng quá
trình này chịu trách nhiệm cho hiệu quả của LSW. Theo giả thuyết của tác giả,
nước biển ở trong trạng thái cân bằng calcite, nhưng calcium trong nước biển

sẽ tương tác với sulfate ở nhiệt độ cao, dẫn đến sự lắng đọng của alhydrite.
Do đó, nước biển phải lấy calcium từ đá để duy trì sự cân bằng calcite, và
nguồn gốc của cation Ca++ đến từ sự hòa tan calcite. Nếu sự hòa tan calcite
diễn ra tại nơi dầu bị hấp thụ, dầu có thể được giải phóng khỏi đá vỉa. Tuy
nhiên, khơng có sự so sánh giữa kết quả từ mơ hình và các thí nghiệm mẫu lõi
để kiểm tra tính chính xác của mơ hình. Al-Shalabi et al. (2014)[9] đề xuất
rằng khơng có mối quan hệ giữa sự hịa tan khống vật và sự gia tăng lượng
dầu thu hồi từ LSW. Sự hịa tan calcite có thể đóng một vai trị trong LSW,
nhưng khơng phải là ngun nhân trực tiếp dẫn đến sự thay đổi tính dính ướt
trong suốt quá trình LSW.

10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

 Korrani et al. (2013)[9] đã kết hợp phần mềm địa hóa IPHREEQC và phần
mềm UTCHEM để mơ hình hóa các cơ chế chính của LSW. Tác giả chỉ nghiên
cứu một trường hợp đơn giản để so sánh khả năng mơ hình hóa q trình trao
đổi cation của hai phần mềm. Sự so sánh hầu như không có tác dụng do mơ
hình UTCHEM-IPHREEQC được xây dựng dựa trên mơ hình gốc là
IPHREEQC. Tuy nhiên, kết quả từ mơ hình cần được kiểm chứng với các
nghiên cứu trong phịng thí nghiệm và trên phạm vi mỏ.
Trong nước
 Hiện nay, tình hình nghiên cứu về LSW ở nước ta vẫn cịn khá hạn chế với rất
ít bài báo về đề tài này được xuất bản.
6. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn
-

Ý nghĩa khoa học:

 Trình bày mối tương quan giữa quá trình trao đổi ion, sự gia tăng pH … đến
việc thay đổi tính chất vỉa chứa và chất lưu được biểu hiện bằng sự thay đổi
của đường cong độ thấm tương đối và áp suất mao dẫn, kết quả là làm gia tăng
hệ số thu hồi dầu.
 Mơ hình hóa cơ chế tác động chính của LSW và mơ phỏng q trình thu hồi
dầu bằng phương pháp LSW.

-

Ý nghĩa thực tiễn:
 Giải thích một cách hệ thống và chi tiết cơ sở lý thuyết của phương pháp LSW
như các cơ chế chính, ảnh hưởng mơi trường, phạm vi áp dụng, , đồng thời
trình bày quá trình mơ hình hóa và mơ phỏng q trình thu hồi dầu bằng
phương pháp LSW. Luận văn này có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các
nghiên cứu chuyên liên quan hoặc chuyên sâu sau này.

11


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Giới thiệu
1.1.1. Tổng quan về phương pháp thu hồi dầu tăng cường (EOR)
Hiện nay, trữ lượng dầu khí ở những mỏ đã phát hiện đang dần đi vào giai đoạn suy kiệt
do khai thác quá mức trong khi số lượng những mỏ mới được phát hiện trong một thập
kỉ qua hầu như rất ít. Hơn nữa, hệ số thu hồi dầu đối với các mỏ khai thác bằng năng
lượng tự nhiên của vỉa hoặc trong giai đoạn khai thác thứ cấp chỉ đạt khoảng 10% - 35%,
do đó phương pháp thu hồi dầu tăng cường (EOR) đóng một vai trị quan trọng, giúp tận
thu được lượng dầu dư cịn sót lại trong lòng đất. Về mặt lý thuyết, phương pháp EOR

làm thay đổi tính chất vỉa chứa và chất lưu, cải thiện hệ số đẩy và hệ số quét, giúp gia
tăng lượng dầu thu hồi. Các phương pháp EOR có thể được chia thành ba nhóm chính là
“gia nhiệt, hóa học và bơm ép khí”. Tùy điều kiện địa chất, đặc tính lý hóa của đá vỉa và
chất lưu, hệ thống khai thác, điều kiện kinh tế và cơ sở vật chất, mà lựa chọn phương
pháp EOR thích hợp để đạt hiệu quả cao nhất. Nhiều nghiên cứu đã được tiền hành từ
năm 1950 đã chứng minh rằng hệ số thu hồi dầu (RF) gia tăng đáng kể khi áp dụng
phương pháp EOR.
 Hệ số thu hồi dầu (RF): được định nghĩa là tỷ số giữa lượng dầu khai thác được trên
tổng lượng dầu có trong mỏ ban đầu.
Lượng dầu khai thác (Np)
Hệ số thu hồi dầu (RF) = --------------------------------------------Lượng dầu có trong mỏ (OOIP)

Hệ số thu hồi dầu (RF) phụ thuộc vào các thông số: (a) hệ số đẩy dầu (ED); (b) hệ số quét
vùng (EA); hệ số quét thẳng đứng (EV); (d) chỉ số mao dẫn (NC).

12


LUẬN VĂN THẠC SĨ

 Hệ số đẩy dầu (ED), hệ số quét vùng (EA) và hệ số quét thẳng đứng (EV) được định
nghĩa như sau:

 Chỉ số mao dẫn (Nc) là hàm của lực nhớt và lực mao dẫn:

𝑁𝑐 =

𝐿ự𝑐 𝑛ℎớ𝑡
𝑣𝜇
=

𝐿ự𝑐 𝑚𝑎𝑜 𝑑ẫ𝑛 𝜎𝑐𝑜𝑠𝜃

Trong đó,
v – Vận tốc (Darcy) bơm ép chất lưu thay thế (m/s);
μ – Độ nhớt của chất lưu thay thế (Pa.s);
σ – Sức căng bề mặt liên diện giữa 2 pha dầu – nước (mN/m, dyn/cm);
cosθ – Góc dính ướt của chất lưu thay thế
Nhiều nghiên cứu cho thấy: hệ số thu hồi dầu (RF) tăng khi chỉ số mao dẫn (Nc) tăng.

13


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.1. Mơ tả các giai đoạn thu hồi dầu [9]

Hình 1.2. Minh họa hệ số quét thể tích [9]
1.1.2. Phương pháp bơm ép nước có nồng độ muối thấp (LSW)
Phương pháp LSW đã được áp dụng từ những năm 1960 nhưng những ảnh hưởng của
phương pháp này lần đầu tiên được công bố là vào đầu những năm 1990, khi kết quả
nghiên cứu của đại học Wyoming chỉ ra rằng nước bơm ép với hàm lượng chất rắn hòa

14