Nghiên cứu giải pháp phòng ngừa lắng đọng muối trong cột ống nâng khai thác dầu tại mỏ sư tử đen

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

LÊ NAM TRÀ

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP PHÒNG NGỪA LẮNG ĐỌNG MUỐI
TRONG CỘT ỐNG NÂNG KHAI THÁC DẦU
TẠI MỎ SƯ TỬ ĐEN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013


2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

LÊ NAM TRÀ

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP PHÒNG NGỪA
LẮNG ĐỌNG MUỐI TRONG CỘT ỐNG NÂNG
KHAI THÁC DẦU TẠI MỎ SƯ TỬ ĐEN
Ngành

: Kỹ thuật dầu khí

Mã số

: 60520604

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học
TS. Nguyễn Thế Vinh

HÀ NỘI - 2013


1

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai cơng bớ trong bất kỳ một
cơng trình nào khác.

Tác giả luận văn

Lê Nam Trà


2
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1
MỤC LỤC ..................................................................................................................2
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................4
ĐƠN VỊ VÀ HỆ SỐ CHUYỂN ĐỔI........................................................................5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...................................................................... 8
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................9
1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................... 10
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................... 10
3. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................ 10
4. Nhiệm vụ của luận văn ............................................................................ 10
5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 11
6. Điểm mới và ý nghĩa khoa học của luận văn .......................................... 11
7. Các luận điểm bảo vệ của luận văn......................................................... 11
8. Tài liệu cơ sở của luận văn ...................................................................... 12
9. Khối lượng và cấu trúc của bài luận văn ................................................ 12
10. Lời cảm ơn ............................................................................................. 12
CHƯƠNG 1: LẮNG ĐỌNG MUỐI TRONG ĐƯỜNG ỐNG VÀ CÁC BIỆN
PHÁP XỬ LÝ ..........................................................................................................13
1.1. Khái niệm chung nhất về lắng đọng muối ........................................... 15
1.2. Nguyên nhân và cơ chế hình thành của lắng đọng muối .................... 17
1.2.1. Các nguyên nhân dẫn tới hình thành cặn lắng đọng muối trong hệ thống khai thác
.................................................................................................................................................. 18
1.2.2 Cơ chế hình thành lắng đọng muối ................................................................................. 23

1.3. Ảnh hưởng của một số yếu tố tới q trình tích tụ lắng đọng muối... 24
1.3.1. Ảnh hưởng của điều kiện dòng chảy .............................................................................. 24
1.3.2. Ảnh hưởng của thành phần dầu ...................................................................................... 25
1.4. Ảnh hưởng của cặn lắng đọng muối tới hiệu quả khai thác .............................................. 28

1.5. Các phương pháp xử lý loại bỏ lắng đọng muối trong giếng và vùng
cận đáy giếng ............................................................................................... 28

3
1.5.1. Xử lý loại bỏ cặn lắng đọng chứa muối cacbonat .......................................................... 29
1.5.2. Xử lý loại trừ cặn lắng đọng chứa muối sunphat ........................................................... 36

1.6. Chất ức chế lắng đọng muối ................................................................. 39
1.6.1. Phân loại chất ức chế lắng đọng muối............................................................................ 39
1.6.2. Yêu cầu đối với chất ức chế lắng đọng muối ................................................................. 42
1.6.3. Một số chất ức chế dùng cho môi trường nhiệt độ cao .................................................. 43

1.7. Kết luận ................................................................................................. 48
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỊA CHẤT MỎ SƯ TỬ ĐEN ........................49
2.1. Tổng quan về mỏ Sư Tử Đen................................................................ 49
2.1.1. Đặc điểm kiến tạo........................................................................................................... 49
2.1.2. Thạch học ....................................................................................................................... 50

2.2. Tính chất thấm chứa ............................................................................ 51
2.3. Đặc điểm địa tầng. ............................................................................... 58
2.3.1. Thành phần cơ lý của đất đá........................................................................................... 62
2.3.2. Tóm tắt đặc tính vỉa........................................................................................................ 62

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KẾT TINH MUỐI TRONG CỘT ỐNG
KHAI THÁC MỎ SƯ TỬ ĐEN .............................................................................66
3.1. Thực trạng khai thác tại mỏ STĐ ....................................................... 66
3.2. Kết quả phân tích mẫu nước khai thác tại mỏ STĐ ............................ 67
CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP PHÒNG NGỪA VÀ XỬ LÝ LẮNG ĐỌNG MUỐI
TRONG CỘT ỐNG KHAI THÁC TẠI MỎ SƯ TỬ ĐEN .................................71
4.1. Lựa chọn hoá chất phòng ngừa lắng đọng muối ................................. 71
4.2. Phương án thực hiện bơm ép hoá phẩm .............................................. 77
4.2.1. Vị trị bơm ép hố phẩm.................................................................................................. 77
4.2.2. Quy trình bơm ép ........................................................................................................... 79

4.2.3. Phương pháp xác định lưu lượng hóa phẩm................................................................... 81

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................84
1. Kết luận .................................................................................................... 84
2. Kiến nghị .................................................................................................. 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................86


4
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

STĐ

Sư Tử Đen

Cuulong JOC/CLJOC

Công ty điều hành chung Cửu Long

SDTN/ SDĐB

Sư tử Đen Tây Nam/ Sư Tử Đen Đơng Bắc

STV

Sư Tử Vàng

VDKVN

Viện dầu khí Việt Nam

SĐCN

Sơ đồ công nghệ

ĐVL

Địa vật lý giếng khoan

OIW

Chỉ số dầu trong nước

TBVN

Thái Bình Việt Nam


5
ĐƠN VỊ VÀ HỆ SỐ CHUYỂN ĐỔI

atm = 101,235 kPa = 14,696 psi
bbl (thùng dầu) = 0,158987 m3
darcy = 1000 mD = 0,986923 μm
dyn/cm = 1 mN/m
ft = 0,304800 m
inch = 2,540cm = 0.025400m
bar = 14.5 psi
psi = 6,894757 kPa = 6894,757 Pa = 6,894757 E -03 Mpa = 14,696 psia
g/l = 1000 mg/l = 0.001 ppm

SI: Scale index


6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 - Lắng đọng ḿi ở mỏ Bạch Hổ...............................................................16
Hình 1.2. Lắng đọng ḿi trong ớng khai thác theo Shlumbeger ............................17
Hình 1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ hịa tan của CaCO3 ..................................21
Hình 1.4. Ảnh hưởng của áp suất riêng phần của CO2 tới độ hịa tan của CaCO3 ...21
Hình 1.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ hịa tan của thạch cao ..............................22
Hình 1.6. Cơ chế hình thành tích tụ lắng đọng ḿi dưới sự có mặt của các hợp chất
tan trong nước chứa trong dầu ................................................................26
Hình 1.7. Ảnh hưởng của hợp chất hữu cơ lấy từ lắng đọng muối tới sức căng bề
mặt trên ranh giới pha .............................................................................27
Hình 1.8. Ảnh hưởng của hợp chất hữu cơ lấy từ lắng đọng muối tới động học tạo
cặn lắng đọng ḿi trong phịng thí nghiệm ..........................................28
Hình 1.9. Mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng và nồng độ axit trong q trình hồ tan
cacbonat của axit HCl .............................................................................32
Hình 1.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tớc độ phản ứng của HCl với cacbonat ......35
Hình 1.11. Khả năng hịa tan ḿi CaCO3 của một sớ hóa phẩm chelat .................36
Hình 1.12. Khoảng pH phát huy hiệu quả trong hòa tan và giữ các ion trong trạng
thái lơ lửng của một sớ hóa phẩm chelat ................................................37
Hình 1.13. Khả năng hịa tan ḿi canxi sunphat (thơng qua hàm lượng Ca2+) của
một sớ hóa phẩm chelat ..........................................................................38
Hình 1.14. Tính chất động học của cặn lắng đọng BaSO4 khi dùng hóa phẩm chelat ..... 39
Hình 2.1. Bản đồ cấu trúc mặt móng ........................................................................50
Hình 2.2. Phân bớ độ rỗng mẫu lõi và vụn thơ mỏ Sư Tử Đen ................................53
Hình 2.3. Phân bớ độ thấm mẫu lõi và vụn thô mỏ Sư Tử Đen ................................53
Hình 2.4. Phân bớ độ rỗng mỏ STĐ (theo chiều sâu từ bề mặt móng) .....................54
Hình 2.5. Phân bớ giá trị độ rỗng trong móng STĐ qua tài liệu ĐVL giếng khoan ..........55

Hình 2.6. Kết quả phân tích độ nén lỗ rỗng mẫu móng granit ..................................55
Hình 2.7. Xác định các đới nứt nẻ và vi nứt từ các đường cong ĐVL và mức độ mất ....56
Hình 2.8. Phân tích khoảng cho dịng dịng trong đoạn thân giếng SD-1X có hang .......57


7
Hình 2.9. Mặt cắt địa chấn qua móng Sư Tử Đen.....................................................58
Hình 2.10. Địa tầng mỏ Sư Tử Đen ..........................................................................61
Hình 3.1. Biểu diễn sự lắng đọng muối CaCO3 tại mỏ STĐ ....................................68
Hình 3.2. Biểu diễn sự lắng đọng ḿi BaSO4 tại mỏ STĐ .....................................70
Hình 4.1. Vị trí bơm nén hóa phẩm trên cây thơng khai thác ...................................78
Hình 4.2 . Bơm Scale inhibitor cao áp ......................................................................79
Hình 4.3 . Mơ phỏng q trình dịng khí nén/ hóa phẩm đi vào giếng .....................80
Hình 4.4 . Van Gaslift ...............................................................................................80
Hình 4.5. Thiết bị theo dõi độ lắng đọng trong đường ớng ......................................81
Hình 4.6. Điểm lắp đặt thiết bị theo dõi lắng đọng trong đường ớng .......................82
Hình 4.7. Hoạt động của thiết bị theo dõi lắng đọng ................................................82
Hình 4.8. Thiết bị tháo lắp Scale monitoring ............................................................83


8
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Độ hòa tan của CaSO4.2H2O trong nước cất (Ca2+ mg/lít) .......................23
Bảng 1.2. Khả năng hồ tan các khống canxit và đolomit của một sớ dung dịch axit ... 30
Bảng 1.3. Hằng số phân ly của một số loại axit (ở nhiệt độ 20OC) ..........................31
Bảng 1.4. Tỷ lệ: Diện tích bề mặt riêng / Thể tích vật liệu trong một sớ loại vỉa chứa ....... 34
Bảng 1.5. Một số hợp chất chelat dùng trong xử lý cặn lắng đọng muối .................37
Bảng 1.6. Một số hợp chất chelat dùng trong xử lý cặn lắng đọng muối .................41
Bảng 2.1: Tóm tắt tính chất và điều kiện ban đầu của vỉa ........................................63
Bảng 2.2. Bảng thông số độ thấm, độ rỗng của đá chứa ..........................................64

Bảng 3.1. Thành phần lắng đọng CaCO3 trong hệ thống khai thác từ năm 2012 .....66
Bảng 3.3. Thông số xu hướng lắng đọng muối CaCO3 trên các thiết bị tại giàn đầu
giếng và TBVN ........................................................................................68
Bảng 3.4. Thông số xu hướng lắng đọng muối BaSO4 trên các thiết bị tại giàn đầu
giếng và TBVN ........................................................................................69
Bảng 4.1. Độ hịa tan của vật liệu lắng đọng ḿi trong một sớ hóa phẩm .............73
Bảng 4.2. Tổng hợp kết quả về độ hòa tan của 10 dung dịch xử lý .........................76


9
MỞ ĐẦU
Hiện tượng lắng đọng muối trong đường ống, cột ống ngày càng xuất hiện
nhiều tại một số mỏ dầu khí ở Việt Nam, tiêu biểu là mỏ Sư Tử Vàng. Lắng đọng
muối là một nguyên nhân làm giảm hiệu quả khai thác do cản trở dịng chảy trong
đường ớng. Mặt khác, lắng đọng muối này cũng là một nguyên nhân làm hư hại
thiết bị, đường ống, bơm.
Các giải pháp đưa ra để ngăn ngừa và xử lý hiện tượng lắng đọng ḿi bao
gồm biện pháp hố học, biện pháp vật lý. Tuy nhiên, hiện nay trên thế giới vãn ưu
tiên cho phương pháp xử lý hố học do có nhiều ưu điểm hơn phương pháp vật lý.
Việt Nam là Q́c gia có sản lượng khai thác dầu khơng lớn, chủ yếu từ các
mỏ tại bể Cửu Long với kích thước trung bình và nhỏ. Đới tượng khai thác dầu chủ
đạo chính là thân dầu móng granit nứt nẻ, chiếm tới 70% lượng dầu khai thác hàng
năm. Trong thập kỷ qua, trên tồn thềm lục địa Việt Nam đã có thêm 25 phát hiện
dầu khí, nhưng chủ ́u có kích thước nhỏ (trung bình mỗi phát hiện khoảng 35
triệu thùng dầu). Để phát triển khai thác được các mỏ nhỏ cần phải có những chiến
lược hoặc ưu đãi kích thích đầu tư dẫn tới làm tăng giá thành khai thác dầu.
Để đảm bảo duy trì và nâng cao sản lượng khai thác trong thời gian tới, bên
cạnh việc đưa các mỏ nhỏ mới vào khai thác, công tác nghiên cứu ứng dụng các giải
pháp mới cho các mỏ đang khai thác cũng cần được quan tâm nhiều hơn nữa. Đối
với các mỏ đang khai thác, mức độ hiểu biết về động thái khai thác mỏ tớt, lượng

dầu cịn lại khơng hề nhỏ (mặc dù có bị phân tán bởi hệ thống khai thác), và đặc biệt
là tận dụng được cơ sở hạ tầng, sớ giếng khoan hiện có của mỗi mỏ.
Thân dầu trong đá móng granit nứt nẻ mỏ Sư Tử Đen là một trong số những
đối tượng khai thác chính ở bể Cửu Long, được đưa vào phát triển khai thác từ
tháng 10 năm 2003 với sản lượng đỉnh khoảng 90.000 thùng dầu mỗi ngày từ các
giếng ở vùng Tây Nam của mỏ. Đến nay, trên tồn diện tích đã khai thác được tổng
cộng khoảng 90 triệu thùng dầu, sản lượng dầu hàng ngày giảm chỉ còn khoảng
18.000 thùng mỗi ngày mặc dù đã có dầu khai thác bổ sung từ vùng Đông Bắc được
thiết kế khai thác từ tháng 5 năm 2010. Đới tượng móng đang ở giai đoạn khai thác
thứ cấp bằng bơm ép nước với sự hỗ trợ năng lượng từ nguồn nước ngoài thân dầu.


10
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời điểm hiện nay, theo kế hoạch của CLJOC đã được phê duyệt, đới
tượng móng granit nứt nẻ mỏ STĐ đang trong giai đoạn khai thác thứ cấp và suy
thoái sản lượng với hệ số thu hồi dầu hiện tại chỉ đạt 16,3%. Sau 10 năm khai thác,
lượng nước khai thác đang tăng với sớ liệu 100 nghìn thùng/ ngày đêm tính đến
tháng 3 năm 2013. Đây là nguyên nhân chính gây ra lắng đọng ḿi trong tồn hệ
thớng khai thác của mỏ STĐ. Trong khi đó, đới tượng móng granit nứt nẻ hang hớc
bể Cửu Long nói chung và của mỏ STĐ nói riêng, đang là đới tượng chính trong
khai thác dầu của Việt Nam. Nên việc nghiên cứu biện pháp ngăn ngừa, xử lý lắng
đọng muối trong hệ thống là rất cần thiết để nâng cao sản lượng khai của mỏ STĐ.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Luận văn tập trung nghiên cứu các giải pháp phịng
ngừa lắng đọng ḿi trong q trình khai thác dầu khí.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu giải pháp phịng ngừa lắng đọng muối
trong cột ống nâng khai thác dầu tại mỏ Sư Tử Đen.
3. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu phương pháp ngăn ngừa hiện tượng lắng đọng muối trong cột

ống khai thác tại mỏ STĐ.
4. Nhiệm vụ của luận văn
Để đạt được mục đích đề ra, luận văn cần giải quyết được các nhiệm vụ:
- Lựa chọn được hỗn hợp hố phẩm có khả năng cao trong xử lý loại trừ và
ngăn ngừa ngừa muối vô cơ lắng đọng trong cột ống khai thác của các giếng khai
thác dầu tại mỏ Sư Tử Đen.
- Đưa ra được chế độ công nghệ cho phép thực hiện xử lý bằng hệ hoá phẩm
lựa chọn.
Nội dung nghiên cứu chủ yếu của đề tài được thể hiện ở các bước nghiên cứu
chính dưới đây:


11
- Tổng quan về lắng đọng muối vô cơ trong vỉa chứa, trong giếng khai thác,
hệ thống thu gom, vận chuyển dầu, các giải pháp và hoá phẩm sử dụng để loại trừ
muối vô cơ lắng đọng và ngăn ngừa lắng đọng trở lại.
- Nghiên cứu, thu thập số liệu về khả năng, dấu hiệu xuất hiện liên quan tới
lắng đọng ḿi và phịng chớng lắng đọng ḿi.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của một sớ hố phẩm tới khả năng xử lý loại trừ
muối lắng đọng ở điều kiện nhiệt độ cao.
- Nghiên cứu nhằm lựa chọn hỗn hợp hoá phẩm hợp lý có khả năng xử lý
loại trừ và ngăn ngừa lắng đọng muối.
- Nghiên cứu thiết lập chế độ cơng nghệ trong tính tốn lượng hố phẩm và
cách thức bơm hố phẩm. Chế độ cơng nghệ cho phép thực hiện xử lý bằng hệ hoá
phẩm thu được.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp thư mục:
- Tổng hợp cơ sở lý thuyết và công nghệ của phương pháp ức chế lắng
đọng ḿi.
- Tổng hợp và phân tích đánh giá đặc tính của từng hố phẩm với điều kiện vỉa.

Phương pháp thí nghiệm: Đưa ra được các phản ứng thực tế giữa hoá phẩm
và nước vỉa.
6. Điểm mới và ý nghĩa khoa học của luận văn
- Là cơng trình nghiên cứu ứng dụng tương đới hồn chỉnh cho một dự án
ngăn ngừa xử lý lắng đọng muối trong cột ống khai thác, tiến hành những thí
nghiệm thực tế trong phịng thí nghiệm cho tới tiếp thu những kinh nghiệm của
những mỏ khác.
- Nghiên cứu đầy đủ cơ chế phản ứng của hợp chất chelat đưa vào giếng.
- Đề xuất phương pháp quy trình cơng nghệ bơm ép hố phẩm.
7. Các tiêu chí bảo vệ của luận văn
Tiêu chí 1: Phân tích, dự đốn được khả năng xảy ra lắng đọng ḿi tại mỏ
STĐ


12
Tiêu chí 2: Chọn lựa được hố phẩm tới ưu nhất cho mở STĐ trong việc
ngăn ngừa và xử lý lắng đọng ḿi
Tiêu chí 3: Đề x́t phương pháp bơm ép hóa phẩm qua van Gaslift.
8. Tài liệu cơ sở của luận văn
Luận văn đã được xây dựng trên cơ sở các tài liệu, các văn liệu nghiên
cứu về mỏ STĐ, Bạch Hổ, STV của các tác giả. Các phân tích mẫu lõi và chất lưu,
các đề tài nghiên cứu khoa học về địa chất mỏ STĐ nói riêng và bồn trũng Cửu
Long nói riêng.
Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã được công ty Cửu Long
JOC cho phép cộng tác làm việc với cơng ty hố chất Nalco để học hỏi và tiếp thu
những kinh nghiệm trong việc đưa ra được phương pháp để xác định được lưu
lượng bơm ép hố phẩm tới ưu nhất.
9. Khối lượng và cấu trúc của bài luận văn
Luận văn bao gồm: phần Mở đầu, 4 chương nội dung nghiên cứu và phần
kết luận. Tồn bộ nội dung được trình bày trong 89 trang, trong đó có 13 bảng biểu

và 34 đồ thị, hình vẽ.
Tổng quan về địa chất của mỏ STĐ được nêu trong Chương 2. Các nguyên
nhân, cơ chế hình thành lắng đọng ḿi được tổng hợp và phân tích trong Chương
1. Từ đó tác giả đi sâu, phân tích về lắng đọng muối cho mỏ STĐ, lựa chọn được
phương pháp, hoá chất xử dụng. Kết quả Chương 3 cho ta hình thành ý tưởng để đề
xuất phương án thực hiện bơm ép trong Chương 4.
10. Lời cảm ơn
Quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn đã được thực hiện dưới sự
hướng dẫn của các thầy cô và một số bạn bè, đồng nghiệp. Tác giả xin bày tỏ lời
cảm ơn sâu sắc đến mọi người, đặc biệt là thầy giáo Tiến sĩ Nguyễn Thế Vinh.
Tác giả trân trọng cảm ơn Phịng Đào tạo Sau đại học, Bộ mơn Khoan - Khai
thác, Ban Giám hiệu trường Đại học Mỏ Địa chất đã khích lệ và tạo những điều
kiện thuận lợi nhất cho công tác nghiên cứu. Đồng thời, tác giả xin bày tỏ lời cám


13
CHƯƠNG 1
LẮNG ĐỌNG MUỐI TRONG ĐƯỜNG ỐNG VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ

Lắng đọng muối vô cơ là hiện tượng xảy ra đối với hầu hết các mỏ dầu trên
thế giới. Nó chính là một trong những vấn đề gây ảnh hưởng rất lớn tới hiệu quả
khai thác của mỏ. Lắng đọng ḿi vơ cơ có thể xảy ra tại các vị trí như: trong vỉa
chứa, tại vùng cận đáy giếng, trong lịng giếng khai thác, trong hệ thớng thu gom,
vận chuyển dầu. Đối với các mỏ cụ thể, vấn đề lắng đọng này có thể xảy ra ở một
vài hay ở tồn bộ các vị trí nêu trên. Chính vì vậy, việc nghiên cứu giải quyết hiện
tượng này được được giới khoa học dầu khí trên tồn thế giới quan tâm.
Các nghiên cứu trên thế giới tập trung vào hai hướng chính: “Ngăn ngừa”
(hoặc hạn chế) hiện tượng kết tủa và “Xử lý” loại bỏ kết tủa khi chúng đã hình
thành. Hướng nghiên cứu ngăn ngừa lắng đọng hướng mục tiêu vào tìm hiểu
nguyên nhân gây kết tủa để từ đó tìm ra các giải pháp hạn chế từ gốc nguyên nhân

gây kết tủa hoặc thay đổi điều kiện để hạn chế kết tủa. Chẳng hạn, để hạn chế kết
tủa, người ta dùng các hóa phẩm có khả năng ức chế sự kết tủa của các muối vô cơ
bơm theo nước bơm ép, hoặc bơm vào vùng cận đáy giếng khoan. Hướng nghiên
cứu loại bỏ chất kết tủa hướng vào việc tìm ra các tổ hợp hóa phẩm và cơng nghệ
nhằm hịa tan vật liệu lắng đọng, hoặc tìm cách làm giảm hiệu ứng có hại của
chúng. Cụ thể hơn, để xử lý lắng đọng tại vùng cận đáy giếng, người ta thường
dùng các phương pháp xử lý vùng cận đáy giếng như axit hóa, tác động siêu âm, tạo
xung chênh áp để hòa tan lắng đọng trong hệ thớng khai thác người ta thường dùng
các hỗn hợp hóa phẩm có tính chelat cao.
Tại Việt Nam, cả hai hướng nghiên cứu đang nhận được sự quan tâm của các cơ
quan khoa học. Theo hướng thứ nhất, có cơng trình nghiên cứu về nguyên nhân lắng
đọng muối trong vỉa chứa thuộc tầng móng mỏ Bạch Hổ do Viện Dầu khí tiến hành và
cơng trình nghiên cứu nhằm chọn lựa hóa phẩm ức chế lắng đọng muối dùng cho nước
bơm ép do phân viện Vật liệu Viện Khoa học và Công nghệ

Việt Nam tại thành phớ

Hồ Chí Minh tiến hành. Theo hướng nghiên cứu thứ hai, các tác giả ở Công ty dung dịch


14
khoan và hố phẩm dầu khí (DMC) đã thành cơng trong lựa chọn thành phần axit mới áp
dụng cho đối tượng địa chất Oligoxen mỏ Bạch Hổ. Hướng này cũng đạng nhận được sự
quan tâm thích đáng của Viện Dầu khí.
Trong phạm vi đề tài luận văn tơi đưa ra ý tưởng phối hợp hai hướng nghiên
cứu nêu trên nhằm vừa ngăn ngừa, loại bỏ lắng đọng vô cơ tại cột ống khai thác của
các giếng khai thác dầu mỏ Sư Tử Đen, vừa ngăn chặn sự lắng đọng trở lại của
chúng. Tính mới của nghiên cứu này cịn thể hiện ở việc dùng hỗn hợp hóa phẩm
mới ít gây ăn mịn, ít độc hại hơn so với hệ hóa phẩm xử lý lắng đọng vô cơ trên cơ
sở axit HF, HCL đang được Vietsovpetro sử dụng.

Đề tài nghiên cứu có hai mục tiêu chính là:
- Lựa chọn được hỗn hợp hố phẩm có khả năng cao trong xử lý loại bỏ
và ngăn ngừa ngừa muối vô cơ lắng đọng trong cột ống khai thác của các giếng
khai thác dầu tại mỏ Sư Tử Đen;
- Đề xuất chế độ công nghệ cho phép thực hiện xử lý bằng hệ hoá phẩm
lựa chọn.
Nội dung nghiên cứu chủ yếu của đề tài được thể hiện ở các bước nghiên cứu
chính dưới đây:
- Tổng quan về lắng đọng muối vô cơ trong vỉa chứa, trong giếng khai thác,
hệ thống thu gom, vận chuyển dầu, các giải pháp và hoá phẩm sử dụng để loại trừ
muối vô cơ lắng đọng và ngăn ngừa lắng đọng trở lại;
- Nghiên cứu, thu thập số liệu về khả năng, dấu hiệu xuất hiện liên quan tới
lắng đọng ḿi và phịng chớng lắng đọng ḿi;
- Nghiên cứu ảnh hưởng của một sớ hố phẩm tới khả năng xử lý loại bỏ
muối vô cơ lắng đọng ở điều kiện nhiệt độ cao;
- Nghiên cứu nhằm lựa chọn hỗn hợp hố phẩm hợp lý có khả năng xử lý
loại bỏ và ngăn ngừa lắng đọng muối;
- Nghiên cứu thiết lập chế độ cơng nghệ trong tính tốn lượng hố phẩm và
cách thức bơm hố phẩm. Chế độ cơng nghệ cho phép thực hiện xử lý bằng hệ hoá
phẩm thu được.


15
1.1. Khái niệm chung nhất về lắng đọng muối
Như được nhắc tới ở trên, lắng đọng muối vô cơ hay tích tụ ḿi vơ cơ một
trong những dạng phức tạp có tính phổ biến trong q trình khai thác dầu khí. Việc
phịng ngừa, xử lý loại trừ dạng phức tạp này thường tiêu tớn mất một khoản chi phí
lớn của các nhà điều hành mỏ. Lắng đọng muối thường đi liền với q trình khai
thác mỏ dầu khí có chứa tỷ lệ nước vỉa cao và mỏ có áp dụng bơm ép nước duy trì
áp suất nhằm tăng thu hồi dầu khí. Trong những trường hợp này, vấn đề lắng đọng

muối xảy ra đối với tất cả các dạng giếng khai thác từ tự phun, gaslift đến bơm
chìm, xảy ra trong tồn hệ thớng thu gom, xử lý, vận chuyển dầu. Trong một sớ
trường hợp, lắng đọng ḿi cịn xảy ra ngay trong vỉa chứa và vấn đề phòng ngừa,
xử lý nó trở nên khó khăn, phức tạp hơn nhiều.
Ḿi vơ cơ lắng đọng, nói chung có thành phần phức tạp. Thành phần
khống vật của nó có thể thay đổi theo thời gian, chế độ khai thác. Ở trong thời kỳ
khai thác ban đầu, thành phần phổ biến nhất của lắng đọng muối là các muối:
Canxit - CaCO3, Thạch cao - CaSO4.2H2O, Anhydrit - CaSO4, Barit - BaSO4,
Asetin - SrSO4, Halit - NaCl… Ở giai đoạn khai thác cuối, xuất hiện thêm các muối
sunphua mà phổ biến nhất là sunphua sắt - FeS. Ngồi các khống vật phổ biến vừa
nêu, lắng đọng ḿi vơ cơ có thể chứa các khống khác như: MgCO3, MgSO4,
Ca(OH)2, Mg(OH)2, Fe(OH)3, Thạch anh - SiO2, Biotit - MgCl2.6H2O, CaF2…
Trong lắng đọng muối vô cơ người ta cũng thường tìm thấy vật liệu lắng đọng hữu
cơ như: asphanten, nhựa, parafin, một số hợp chất thơm.
Căn cứ vào cấu trúc của lắng đọng muối, người ta chia chúng thành: lắng
đọng có cấu trúc tinh thể cỡ micro hoặc hạt nhỏ; lắng đọng có cấu trúc lớp chắc đặc
với các mức độ kết tinh khác nhau và có chứa lẫn vật chất hữu cơ; lắng đọng có cấu
trúc tinh thể lớn; lắng đọng có cấu trúc xớp…
Lắng đọng có cấu trúc tinh thể cỡ micro thường tạo ra ở những cánh bơm ly
tâm, nắp van, đường ống dẫn, van điều chỉnh... Lắng đọng nhiệt độ cao (bám trên bề
mặt ống trao đổi nhiệt, trên mặt thiết bị tách nước khỏi dầu thơ) thường thuộc loại
cấu trúc này. Nói chung, trong các lắng đọng này chúng ta không nhận ra cấu trúc


16
lớp, vì chúng là một thể thớng nhất. Loại lắng đọng có cấu trúc này, nói chung là
kém phổ biến. Hình 1.1 là hình ảnh lắng đọng trong đường ớng dẫn tới thiết bị xử lý
dầu thô tại mỏ Bạch Hổ của Xí nghiệp Liên doanh Dầu khí Vietsovpetro.
Phần mang tính phổ biến của cặn lắng đọng là phần có cấu trúc lớp. Với loại
có cấu trúc lớp như vậy, lớp lắng đọng gần thành ống thường là lớp tinh thể có cấu

trúc micro xen lẫn với các hợp chất hữu cơ; và theo mức độ xa dần từ lớp này, là
những lớp có cấu trúc tinh thể mịn, tinh thể trung bình và sau đó là lớp tinh thể lớn
hình kim.

Hình 1.1 - Lắng đọng muối ở mỏ Bạch Hổ
Mặt cắt ngang của dạng lắng đọng này trong ống thường có dạng ớng hình
trụ đặc trưng bởi kiểu định hướng cấu trúc tinh thể phát triển theo hướng từ bề mặt
hướng về tâm. Lắng đọng kiểu này thường thấy trong ống khai thác và thiết bị đầu
giếng. Theo điều kiện nhiệt động học, loại lắng đọng này có thể được xếp vào có
nhiệt độ trung bình. Hình 1.2 là hình ảnh lắng đọng bám trên thành ớng khai thác
đại diện cho loại mà tác giả vừa mô tả. Đây chính là nghiên cứu của hãng dịch vụ
kỹ thuật Schlumberger.


17
Lắng đọng có cấu trúc xớp đặc trưng cho điều kiện hình thành ở khoảng nhiệt
độ thấp như trong bể chưa dầu chẳng hạn. Trong một số trường hợp, lắng đọng dạng
này có thể tạo đá chứa các hớc khơng đều có tinh thể khống vật vây quanh. Trong
loại đá này tồn tại những tinh thể hình kim lớn có kích thước lên tới 10-20µm.
Nói chung, người ta cho rằng, cặn lắng đọng muối trong khai thác và xử lý
dầu tại các mỏ dầu có thành phần và cấu trúc phức tạp, phụ thuộc vào điều kiện
thành phần hóa của nước, điều kiện nhiệt độ áp suất, đặc điểm khai thác mỏ.

Hình 1.2. Lắng đọng muối trong ống khai thác theo Shlumbeger
1.2. Nguyên nhân và cơ chế hình thành của lắng đọng muối
Cặn lắng đọng muối tồn tại là một thực tế. Thế nhưng, khi nói về nguyên
nhân dẫn tới thực tế ấy chúng ta dễ bị nhầm lẫn vì thực tế là có nhiều nguyên nhân
hoặc trực tiếp, hoặc gián tiếp tác động tới q trình này, có ngun nhân mang bản
chất hóa học, có nguyên nhân mang bản chất vật lý, và có nguyên nhân do sự tác
động đồng thời của cả hai bản chất hoá lý.

18
1.2.1. Các nguyên nhân dẫn tới hình thành cặn lắng đọng muối trong hệ thống
khai thác
Muối vô cơ tan trong nước bị lắng đọng khi điều kiện cân bằng, được thiết
lập trước đó, thay đổi theo hướng khơng có lợi cho độ hồ tan của ḿi. Sự khơng
có lợi này có thể xảy ra trong các trường hợp sau:
1) Khi hai nguồn nước có thành phần khơng tương hợp trộn lẫn với nhau (Ví
dụ: khi nước vỉa chứa ḿi CaCl2 hoà tan, tức chứa Cl- và Ca2+ trộn lẫn với nước
giàu anion SO42- thì CaSO4 kết tủa);
2) Khi điều kiện nhiệt động học thay đổi (Khi điều kiện nhiệt động học: nhiệt
độ, áp suất thay đổi độ hòa tan của ḿi trong nước thay đổi và có thể trở nên q
bão hịa dẫn tới kết tinh ḿi);
3) Khi một, hoặc một vài loại muối, một hoặc một vài dạng ion mới tan vào
chất lưu có thể tạo ḿi với ion hồ tan sẵn trong nước trước đó.
Cả 3 trường hợp nêu trên đều có chung một điểm là sự mất cân bằng về nồng
độ của ḿi trong nước, và vì thế nguyên nhân sâu xa nhất có thể dẫn đến lắng
đọng muối phải là nguyên nhân kết tinh muối từ dung dịch nước trong những điều
kiện nhất định.
Khoáng vật thứ sinh trong vỉa chứa thường chứa các khoáng canxit, thạch
cao, zeolit, halit… Chúng được hình thành từ các hoạt động kiến tạo, thuỷ nhiệt và
phong hoá. Nước vỉa nội tại trong các vỉa chứa này thường bão hoà bởi các ḿi
hồ tan. Nước bơm ép vỉa nhằm mục đích duy trì áp śt hoặc đẩy dầu cũng có thể
trở nên bão hồ khi các ḿi có trong vỉa tiếp tục hồ tan vào đó. Trong một sớ
trường hợp, tương tác giữa các ḿi hồ tan có sẵn trong nước bơm ép với các
thành phần khống có trong vỉa làm nước trở nên quá bão hoà với một hoặc một vài
loại khống nào đó và làm chúng kết tinh, gây lắng đọng ngay trong vỉa (để phòng
ngừa hiện tượng này, người ta thường bổ sung chất chống lắng cặn vào nước bơm
ép). Như vậy, khi còn nằm trong vỉa, nước vỉa hoặc nước bơm ép đã chứa một

lượng các ḿi hồ tan nào đó và thậm chí có thể đã trở nên bão hồ đới với một sớ
ḿi. Khả năng hồ tan và bão hồ ḿi trong nước vỉa hoặc nước bơm ép phụ


19
thuộc vào nguồn cung cấp ion tạo muối và điều kiện nhiệt động học (nhiệt độ, áp
suất) trong vỉa chứa.
Trong q trình khai thác, nước đồng hành cùng dầu (chính từ nguồn nước
vỉa hoặc nước bơm ép được đề cập ở trên) đi qua vùng cận đáy giếng, vào lòng
giếng, theo cột ống khai thác đi lên bề mặt vào các thiết bị xử lý. Tại hầu hết các vị
trí nước đồng hành đi qua, áp suất, nhiệt độ thay đổi, tức điều kiện nhiệt động học
thay đổi, làm một sớ ḿi trở nên q bão hồ và chúng kết tinh trong dịng chảy.
Ở vị trí mà có các điều kiện nhiệt động học thay đổi càng mạnh khả năng mất cân
bằng càng lớn, mức độ kết tinh càng mạnh.
Để hiểu rõ hơn, tác giả nghiên cứu quy luật liên quan tới trạng thái q bão
hịa của hai loại ḿi phổ biến có trong cặn lắng đọng là ḿi CaCO3 và ḿi
CaSO4.
Hình 1.3, biểu diễn độ hịa tan trong nước của CaCO3 ở các nhiệt độ khác
nhau. Quan hệ này cho thấy, khi nhiệt độ tăng lên, độ hòa tan trong nước của
CaCO3 giảm dần. Điều này có nghĩa rằng, nếu dùng nước có nhiệt độ thường đã hịa
tan một lượng CaCO3 nào đó để bơm ép vào vỉa, thì khi gặp nhiệt độ cao bị hâm
nóng lên ḿi CaCO3 sẽ kết tinh trong vỉa. Mặt khác, quan hệ trên hình 1.3 cũng
cho thấy, nước bão hịa ḿi CaCO3 trong vỉa sẽ không thể tạo kết tinh khi nhiệt độ
của nó giảm đi. Nói cách khác sự giảm nhiệt độ chưa phải là điều kiện để CaCO3
kết tủa trong lòng giếng và trên bề mặt (theo quá trình đi lên từ vỉa, nhiệt độ dòng
nước giảm đi).
Áp suất riêng phần của CO2 mới là nguyên nhân chính gây kết tinh ḿi
CaCO3 tại vùng cận đáy giếng, trong lịng giếng và trong hệ thống thiết bị vận
chuyển, xử lý trên bề mặt.
Hình 1.4, biểu diễn độ hịa tan trong nước của CaCO3 ở các áp suất riêng

phần của khí CO2. Quan hệ này cho thấy, áp suất ảnh hưởng tới độ hòa tan của
CaCO3 mạnh hơn nhiều so với nhiệt độ. Cụ thể, ở điều kiện nhiệt độ miệng giếng,
độ hòa tan trong nước của CaCO3 là 40 mg/l, thì trong điều kiện áp suất miệng
giếng 10 atm độ hòa tan trong nước của CaCO3 là 500 mg/l, nghĩa là áp suất ảnh


20
hưởng tới độ hòa tan trong nước của CaCO3 lớn hơn trên 10 lần ảnh hưởng của
nhiệt độ. Khi nhiệt độ biến thiên từ 140OC (nhiệt độ đáy giếng) đến 40OC (nhiệt độ
miệng giếng) độ hòa tan của CaCO3 tăng từ 10 mg/l lên tới 40 mg/l. Trong điều
kiện giếng tương tự, áp suất giảm từ trên 100 atm. xuống 10 atm. Độ hòa tan của
CaCO3 giảm từ 1.000 mg/l x́ng cịn 500 mg/l. Điều này có nghĩa rằng, q bão
hịa đới với nước chứa ḿi CaCO3 hịa tan chỉ xảy ra theo cơ chế thay đổi áp suất
riêng phần của CO2.
Ngồi vấn đề mang tính vật lý về thay đổi áp suất, CO2 còn tác động tới khả
năng hòa tan và bão hịa của CaCO3 trong nước thơng qua cơ chế hóa học. Chính vì
vậy, đơi khi nhìn vào thành phần hóa học của nước ta chưa thể xác định được liệu
loại nước vỉa này có tiềm ẩn nguyên nhân sâu xa dẫn tới lắng đọng muối CaCO3
hay không. Dưới đây xin trình bày và phân tích bản chất của hiện tượng ở mỏ STĐ.
Khi khí CO2 hịa tan trong nước, trạng thái tồn tại của nó phụ thuộc vào nồng
độ pH. Khi pH của nước nhỏ hơn 6,4, CO2 nằm dưới dạng CO32-. Khi nồng độ pH
nằm trong khoảng 6,3 ÷ 10,3, trong nước tồn tại hai dạng ion: CO32- và HCO3-,
nhưng chủ yếu là ở dạng HCO3-. Cịn khi nước có nồng độ pH lớn hơn 10,3, CO2
chỉ có mặt trong nước dưới dạng HCO3-.
Như vậy, đới với nước có nồng độ pH trong khoảng 6,4 ÷ 10,3, khi bổ sung
Ca2+ vào thì ḿi CaCO3 được hình thành theo phương trình phản ứng hóa học sau:
Ca2+ + CO32- ---> CaCO3

(1.1)

Ca2+ + 2HCO3- ---> CaCO3 + CO2 + H2O

(1.2)


21

Hình 1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ hịa tan của CaCO3

Hình 1.4. Ảnh hưởng của áp suất riêng phần của CO2
tới độ hòa tan của CaCO3
Cân bằng của cả hai phản ứng này đều chuyển về phía phải khi tăng hàm
lượng Ca2+ và hàm lượng CO2. Điều này có nghĩa rằng, khi trong nước chứa CO2


22
hịa tan nằm ở dạng HCO3- , khống canxit - CaCO3 ít hịa tan trong đó. Điều này
cũng có nghĩa rằng, khi các ion Ca2+, HCO3- và CO2 trong loại nước nào đó đang
tồn tại ở dạng cân bằng, mà CO2 thốt đi thì việc kết tinh CaCO3 từ nước đó có thể
x́t hiện ngay. Hiện tượng vừa nêu hồn toàn phù hợp với quy luật về ảnh hưởng
của áp suất tới độ hòa tan trong nước của CaCO3.
Sự kết tinh ḿi sunphat (CaSO4, CaSO4.2H2O, SrSO4...) do khơng có mặt
của pha khí xảy ra theo cơ chế đơn giản hơn. Phương trình hóa học tạo các ḿi
trên cá dạng sau:
Ca2+ + SO42-

= CaSO4

(1.3)

Ca2+ + SO42- + 2H2O = CaSO4. 2H2O

(1.4)

Sr2+ + SO42- = SrSO4

(1.5)

Quy luật ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ hịa tan trong nước của ḿi
CaSO4.2H2O, dạng phổ biến của lắng đọng muối sau CaCO3 được thể hiện trong
hình 1.5.

Độ hịa tan của CaSO4.2H2O, g/lit

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5
0

10

20

30

40

50

Nhiệt độ,

60

70

80

90

100

oC

Hình 1.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ hòa tan của thạch cao


23
Hình 1.5 cho thấy, ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thường, độ hòa tan của
CaSO4.2H2O giảm khi nhiệt độ tăng. Độ hòa tan này giảm còn một nửa khi nhiệt độ
tăng từ 30OC tới 100OC. Các số liệu này cho phép rút ra tính quy luật là: ḿi
CaSO4.2H2O tan trong nước đồng hành khi di chuyển từ đáy giếng lên bề mặt có thể
kết tinh một cách dễ dàng để tạo điều kiện cho quá trình hình thành cặn muối. Ảnh
hưởng đồng thời của nhiệt độ và áp tới độ hịa tan trong nước của CaSO4.2H2O
thơng qua ion Ca2+ được trình bày trong bảng 1.1. Theo sớ liệu này, độ hòa tan của

CaSO4.2H2O giảm khi nhiệt độ tăng và cũng giảm khi áp suất tăng cao.
Bảng 1.1. Độ hòa tan của CaSO4.2H2O trong nước cất (Ca2+ mg/lít)
Nhiệt độ, OC

Áp suất
Atm.

600C

900C

1100C

1300C

1500C

0

29,60

27,23

26,68

26,02

25,24

80

32,00

29,95

29,56

28,90

28,12

120

33,20

31,31

31,00

30,34

29,56

160

34,40

32,67

32,41

31,78

31,00

230

36,50

35,02

34,96

34,34

33,57

Điều này có nghĩa rằng, trong điều kiện giếng khai thác, sự thay đổi nhiệt độ
và áp suất đều thúc đẩy kết tinh muối CaSO4.2H2O. Phần tiếp theo, tác giả sẽ trình
bày cơ chế hình thành cặn lắng đọng ḿi nói chung.
1.2.2 Cơ chế hình thành lắng đọng muối
Như trên đã đưa và phân tích, q bão hịa, thay đổi điều kiện nhiệt động học
những nguyên nhân gây lắng đọng ḿi. Trên bình diện nghiên cứu tổng thể, người
ta cho rằng, cơ chế gây lắng đọng muối liên quan tới 4 q trình lý hóa sau:
1) Sự q bão hịa đối với muối của nước đồng hành trong khai thác.
2) Sự tạo mầm kết tinh của muối.
3) Sự phát triển của các tinh thể.
4) Sự tái kết tinh chuyển pha.
Tất cả các ́u tớ tác động tới 4 q trình trên đều có thể ảnh hưởng tới q trình