Nghiên cứu các yếu tố ảnh hởng đến khả năng làm việc của các hệ thống máy bơm điện chìm ly tâm khai thác dầu ở mỏ rồng và đề xuất các biện pháp khắc phục

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

TRỊNH HOÀNG LINH

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG
ĐẾN KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA CÁC HỆ THỐNG
MÁY BƠM ĐIỆN CHÌM LY TÂM KHAI THÁC DẦU
Ở MỎ RỒNG VÀ ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP
KHẮC PHỤC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2007


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

TRỊNH HOÀNG LINH

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ
NĂNG LÀM VIỆC CỦA CÁC HỆ THỐNG MÁY BƠM ĐIỆN
CHÌM LY TÂM KHAI THÁC DẦU Ở MỎ RỒNG VÀ
ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC
Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị mỏ, dầu khí
Mã số: 60.52.12

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS -TS. Nguyễn Đức Sướng

HÀ NỘI – 2007


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 văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.

Tác giả luận văn

Trịnh Hoàng Linh

 

 


2

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan …………………………………………………………

1

Mục lục ……………………………………………………………….

2

Danh mục các bảng …………………………………………………...

4

Danh mục các hình vẽ, đồ thị …………………………………………

5

MỞ ĐẦU ……………………………………………………………...

7

Chương 1.TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BƠM ĐIÊN CHÌM LY TÂM
KHAI THÁC DẦU VÀ THỰC TẾ SỬ DỤNG TẠI MỎ
BẠCH HỔ VÀ MỎ RỒNG THUỘC
12

XNLD“VIETSOVPETRO”
1.1. Các phương pháp khai thác chính trong cơng nghiệp khai thác dầu khí

12

1.2. Đặc điểm của hệ thống máy bơm điện chìm ly tâm khai thác dầu, kết
cấu và nguyên lý làm việc……………………………………………..

22

1.3. Ứng dụng hệ thống bơm điện chìm ly tâm vào cơng nghiệp khai thác
dầu khí trên thế giới……………………………………………….…..

35

1.4. Đặc điểm khai thác dầu khí tại XNLD “Vietsovpetro”………………..

36

1.5. Thực tế sử dụng hệ thống bơm điện chìm ly tâm tại mỏ Bạch Hổ và
mỏ Rồng……………………………………………………………….

37

Chương 2. NGHIÊN CỨU VÀ XÁC ĐỊNH CÁC YẾU TỐ ẢNH
HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA BƠM ĐIỆN
CHÌM LY TÂM KHAI THÁC DẦU TẠI MỎ RỒNG

40

2.1. Phương pháp xây dựng đường đặc tính lý thuyết của máy bơm ly tâm
khai thác dầu……………………………………………………….…..

41

2.2. Các phương pháp xây dựng đường đặc tính máy bơm ly tâm khai thác
dầu bằng thực nghiệm ………………………………………………
2.3. Những hỏng hóc chính thường gặp trong thực tế sử dụng máy bơm ly

 

 

56


3

tâm khai thác dầu (ESPs) tại XNLD “Vietsovpetro”……..………….

61

2.4. Xác định thành phần của hỗn hợp dung dịch vỉa tại mỏ Rồng (thực
nghiệm). Các điều kiện về nhiệt độ, áp suất vỉa……………………....

61

2.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ lưu chất vỉa đến hoạt động của bơm ……….

63

2.6. Nghiên cứu và phân tích ảnh hưởng của khí đồng hành ……………..

64

2.7. Nghiên cứu và phân tích ảnh hưởng của thành phần Paraffin đến hoạt
động của bơm…………………………….. ………………………….

67

2.8. Nghiên cứu và phân tích ảnh hưởng của thành phần cát trong hỗn hợp
dung dịch vỉa đến khả năng làm việc của hệ thống bơm và tuổi thọ cơ
học của chúng…………………………….. …….…….…….………

68

2.9. Nghiên cứu mối quan hệ P-Q thực tế (đường đặc tính của máy bơm ly
tâm) trong điều kiện lưu chất ở mỏ Rồng…….…….………….…….

72

Chương 3. CÁC GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ
DỤNG VÀ TĂNG TUỔI THỌ CỦA HỆ THỐNG BƠM
ĐIỆN CHÌM LY TÂM KHAI THÁC DẦU TẠI MỎ
RỒNG- XNLD “VIETSOVPETRO”

82

3.1. Nhóm các giải pháp liên quan đến kết cấu của thiết bị ………………

82

3.2. Nhóm các giải pháp về kỹ thuật- công nghệ…………….……….…..

83

3.3. Giải pháp chọn lựa các thông số kỹ thuật của bơm………..………….

83

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ …………………………………..........

84

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………

87

 

 


4

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng

Tiêu đề bảng

Trang

Bảng 1.1.

Số liệu khai thác dầu tại CHLB Nga năm 2006

18

Bảng 1.2.

Tổng hợp các giếng khai thác dầu khí tại XNLD

36

“Vietsovpetro”
Bảng 1.3.

Thống kê tình hình sử dụng các hệ thống bơm điện chìm ly

37

tâm khai thác dầu tại mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng- XNLD
“Vietsovpetro”
Bảng 2.1.

Thành phần dung dịch vỉa tại các giếng thuộc mỏ Rồng

62

Bảng 2.2.

Thông số làm việc của các giếng tại mỏ Rồng

62

Bảng 2.3.

Bảng tổng hợp các thông số khai thác bằng các hệ thống bơm

73

điện chìm ly tâm khai thác dầu (ESPs) tại RP-1 (mỏ Rồng).
Bảng 2.4.

Kết quả thực nghiệm tại các giếng 108, 117 mỏ Rồng

76

Bảng 2.5.

Kết quả tính tốn từ thực nghiệm các thơng số giếng 108

76

Bảng 2.6.

Kết quả tính tốn từ thực nghiệm các thơng số giếng 117

76

Bảng 2.7.

Kết quả thực nghiệm tại các giếng 105, 110 mỏ Rồng

78

Bảng 2.8.

Kết quả tính tốn từ thực nghiệm các thơng số giếng 105

79

Bảng 2.9.

Kết quả tính tốn từ thực nghiệm các thông số giếng 110

79

 

 


5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hình

Tên hình vẽ và đồ thị

Trang

Hình 1.1.

Sơ đồ đầu giếng khai thác tự phun- một ống nâng

13

Hình 1.2.

Kết cấu của các hệ thống gaslift

14

Hình 1.3.

Hệ thống bơm piston cần (Rod-Type Pumping System)

19

Hình 1.4.

Sơ đồ cấu trúc hệ thống bơm điện chìm ly tâm

24

Hình 1.5.

Bơm có cánh tạo dịng hướng kính - Radial Flow

26

Hình 1.6.

Bơm có cánh tạo dịng hỗn lưu (cánh nghiêng)- mixed flow

26

Hình 1.7.

Profile cánh bơm tạo dịng hướng kính- radial flow

26

Hình 1.8.

Profile cánh bơm tạo dịng hỗn lưu (cánh nghiêng)- mixed

26

flow
Hình 1.9.

Thiết bị đầu vào tiêu chuẩn

27

Hình 1.10. Thiết bị đầu vào (Gas Separator dạng quay)

27

Hình 1.11. Thiết bị bảo vệ dạng tiêu chuẩn

29

Hình 1.12. Thiết bị bảo vệ phức hợp

29

Hình 1.13. Thiết bị bảo vệ dạng phức hợp 2-4 khoang

29

Hình 1.14. Motor ngầm kết nối với cáp nguồn

31

Hình 1.15. Tầng Motor trung gian- Center Motor Tandem

31

Hình 1.16. Biểu đồ tương quan số lượng giếng khai thác tại XNLD

37

“Vietsovpetro”
Hình 1.17. Biểu đồ tương quan sản lượng khai thác bằng các phương

37

pháp khác nhau tại XNLD “Vietsovpetro”
Hình 2.1.

Sơ đồ di chuyển dung dịch lỏng- khí qua profile cánh bơm

41

Hình 2.2.

Tam giác vận tốc các pha hỗn hợp tại đầu vào và ra khỏi cánh

43

bơm
Hình 2.3.

Đường đặc tính lý thuyết của bơm ly tâm

55

Hình 2.4.

Sơ đồ thực nghiệm xác định đường đặc tính thực tế của máy

58

 

 


6

Số hình

Tên hình vẽ và đồ thị

Trang

bơm điện chìm ly tâm khai thác dầu
Hình 2.5.

Khí đồng hành bị đốt bỏ ở các mỏ dầu

64

Hình 2.6.

Đường đặc tính P-Q thực tế của các máy bơm ESP giếng 108,

77

117 RP1
Hình 2.7.

Đường đặc tính P-Q thực tế của các máy bơm ESP giếng 105,
110 RP1

 

 

80


7

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay XNLD “Vietsovpetro” đang khai thác dầu và khí tại các mỏ Bạch Hổ
và Rồng. Qua thời gian dài khai thác từ năm 1986 đến nay, trữ lượng của mỏ đã
giảm đáng kể, theo Sơ đồ công nghệ của mỏ, giai đoạn khai thác “đỉnh“ của cả 2
mỏ đã qua, vào những năm 2002-2003 khi tổng sản lượng dầu khai thác được đạt
trên 13,5 triệu tấn. Cùng với sự giảm sản lượng, các thông số của mỏ cũng giảm mà
đặc trưng nhất là áp suất vỉa giảm dẫn đến khả năng khai thác tự phun không thể
thực hiện được dẫn đến phải sử dụng các phương pháp khai thác bằng cơ học.
Ngoài việc cố gắng duy trì áp suất vỉa bằng cách bơm ép nước áp suất cao vào vỉa,
hiện XNLD “Vietsovpetro” đã và đang sử dụng hệ thống Gaslift (đưa nguồn khí
đồng hành dưới áp suất cao xuống các giếng làm giảm tỷ trọng của dung dịch vỉa và
đưa cột chất lỏng lên miệng giếng để khai thác) và hệ thống bơm điện chìm ly tâm
(Electric Submersible Pumps- hay UESN theo tiếng Nga).
Hệ thống bơm điện chìm được thả trực tiếp xuống các giếng và bơm dung dịch
vỉa lên để khai thác. Đây là phương pháp khai thác dầu được sử dụng rộng rãi trên
thế giới và có hiệu quả cao. Ở CHLB Nga hiện nay có tới 60% sản lượng dầu khai
thác được nhờ các hệ thống bơm chìm ly tâm. Tại XNLD “Vietsovpetro” đã sử
dụng hệ thống bơm điện chìm này cho một số giếng tại mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng.
Đặc biệt tại mỏ Rồng do dầu có khối lượng riêng lớn, áp suất vỉa thấp nên hầu hết
các giếng tại giàn Rồng 1- RP-1 được sử dụng hệ thống bơm điện chìm ly tâm.
Tuy nhiên do dầu thơ tại mỏ Rồng có nhiều thành phần Paraffin và cát cùng với
sự ảnh hưởng đáng kể của các yếu tố nhiệt độ lưu chất, tỷ lệ của khí đồng hành
trong dầu và một số yếu tố liên quan khác đã ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc
của bơm; nhiều trường hợp bơm bị kẹt, cháy phải thay thế sau thời gian ngắn làm
việc. Việc thay thế bơm lại địi hỏi chi phí rất cao: riêng đội sửa chữa giếng kéo thả
ống nâng khai thác 3000-4000 mét đã cần phải chi phí khoảng 50.000-60.000 USD,

 

 


8

hệ thống bơm rất đắt tiền: 250.000- 300.000 USD/ 01 bộ bơm, chưa tính đến việc
giảm sản lượng khai thác dầu.
Do vậy nhu cầu cần thiết của XNLD “Vietsovpetro” là phải nghiên cứu các yếu
tố ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ thống bơm điện chìm ly tâm khai thác dầu tại
mỏ Rồng nhằm tìm cách đảm bảo khả năng làm việc theo thiết kế của thiết bị, giảm
chi phí và đảm bảo sản lượng khai thác dầu.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn
Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào của
bơm như: nhiệt độ, thành phần khí, thành phần paraffin và cát trong hỗn hợp dung
dịch vỉa đến các thông số làm việc của máy bơm, đến đường đặc tính của bơm và
tuổi thọ của hệ thống máy bơm điện chìm ly tâm sử dụng tại mỏ Rồng thuộc XNLD
“Vietsovpetro” và đề xuất các biện pháp khắc phục sự ảnh hưởng này; đồng thời
đưa ra cơ sở cho việc chọn các loại bơm phù hợp trong điều kiện vận hành tại mỏ
Rồng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống
máy bơm điện chìm ly tâm khai thác dầu, trong phạm vi tại các giếng khai thác dầu
tại mỏ Rồng thuộc Xí nghiệp Liên doanh dầu khí “Vietsovpetro”.
4. Nội dung nghiên cứu
-

Xác định, nghiên cứu và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố liên quan đến
quá trình làm việc của hệ thống bơm điện chìm ly tâm khai thác dầu tại mỏ
Rồng, như:
o nhiệt độ lưu chất vỉa

o khí đồng hành

 

 


9

o thành phần Paraffin trong dung dịch vỉa
o thành phần cát trong hỗn hợp dung dịch vỉa
-

Xây dựng mối quan hệ P-H (đường đặc tính của máy bơm ly tâm) đối với
lưu chất vỉa tại mỏ Rồng.

-

Nghiên cứu và đề xuất các giải pháp nhằm hạn chế sự ảnh hưởng của các
yếu tố liên quan nói trên đến hoạt động của các máy bơm điện chìm ly tâm
khai thác dầu tại mỏ Rồng nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng bơm và kéo dài
thời gian làm việc đến sửa chữa của bơm.

-

Đánh giá hiệu quả của các giải pháp đề ra và đưa ra kết luận.

5. Các phương pháp nghiên cứu
q Nghiên cứu về mặt lý thuyết xây dựng các thông số vận hành của máy bơm ở
điều kiện lưu chất từ mỏ Rồng.

q Nghiên cứu về mặt lý thuyết các biện pháp hạn chế sự ảnh hưởng của thành
phần nhiệt độ lưu chất, Paraffin, cát và khí đồng hành đến hoạt động của
bơm. Áp dụng các giải pháp vào thực tiễn và rút ra kết luận về hiệu quả của
chúng.
q Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thu thập, nghiên cứu và phân tích
trên cơ sở các số liệu thống kê thực tiễn sử dụng bơm điện chìm ly tâm khai
thác dầu tại mỏ Rồng. Phân tích, xem xét dữ liệu thực tế và so sánh với các
thông số thiết kế (về mặt lý thuyết) của hệ thống máy bơm.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
q Đóng góp về khoa học: Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần trong
hỗn hợp dung dịch vỉa lên thông số làm việc và tuổi thọ của hệ thống bơm điện

 

 


10

chìm ly tâm khai thác dầu ở điều kiện mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng thuộc thềm lục
địa Việt nam sẽ là những đóng góp có ý nghĩa cho việc sử dụng các thiết bị máy
bơm điện chìm ly tâm khai thác dầu ở các điều kiện mỏ khác nhau khơng chỉ ở
thềm lục địa Việt nam mà cịn ở các mỏ dầu khác trên thế giới.
q Về mặt thực tiễn: Những kết quả của nghiên cứu là cơ sở dữ liệu để
XNLD”Vietsovpetro” lựa chọn các hệ thống bơm phù hợp nhằm đảm bảo các
thông số làm việc phù hợp với điều kiện mỏ tại XNLD “Vietsovpetro”, nâng cao
tuổi thọ của bơm và tiết kiệm chi phí.

7. Cơ sở dữ liệu

Luận văn được viết dựa trên các cơ sở dữ liệu:
-

Các tài liệu về hệ thống bơm điện chìm ly tâm khai thác dầu

-

Dữ liệu về điều kiện vận hành thiết bị thực tế tại mỏ Rồng thuộc XNLD
“Vietsovpetro”.

8. Kết cấu của luận văn
Nội dung của luận văn bao gồm: phần mở đầu và 3 chương; Chương một mô
tả tổng quan về tình hình sử dụng các hệ thống máy bơm điện chìm ly tâm khai thác
dầu trên thế giới nói chung và tại XNLD “Vietsovpetro” nói riêng; Chương 2
nghiên cứu và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động và tuổi thọ của các hệ
thống máy bơm điện chìm ly tâm khai thác dầu tại mỏ Rồng; Chương 3 đề xuất các
giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng và tuổi thọ của thiết bị dưa
trên các kết quả nghiên cứu ở chương 2; cuối cùng là phần kết luận và các kiến
nghị. Luận văn bao gồm 88 trang, 12 bảng biểu và 24 hình vẽ- đồ thị.
Luận văn được hồn thành tại bộ môn Máy và thiết bị mỏ và bộ môn Máy và
thiết bị dầu khí Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà nội, dưới sự hướng dẫn trực tiếp
của PGS TS Nguyễn Đức Sướng.

 

 


11

Trong quá trình thực hiện Luận văn, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình
và quý báu của các Thầy trong Bộ môn máy và thiết bị mỏ, bộ mơn máy và thiết bị
dầu khí-Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà nội; các đồng nghiệp tại Xí nghiệp khai
thác dầu khí, Xí nghiệp liên doanh dầu khí “Vietsovpetro”. Nhân dịp này cho phép
tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Đức Sướng, người trực
tiếp hướng dẫn khoa học trong quá trình thực hiện luận văn, đồng thời xin cám ơn
các thầy và các bạn đồng nghiệp tại XNLD “Vietsovpetro” đã nhiệt tình giúp đỡ tác
giả hoàn thành bản Luận văn này.

 

 


12

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BƠM ĐIỆN CHÌM LY TÂM KHAI THÁC
DẦU VÀ THỰC TẾ SỬ DỤNG TẠI MỎ BẠCH HỔ VÀ MỎ RỒNG THUỘC
XNLD “VIETSOVPETRO”
1.1 Các phương pháp khai thác chính trong cơng nghiệp khai thác dầu khí
Sau khi các giếng được kết thúc công tác khoan và “gọi dòng” sản phẩm từ giếng
(tạo dòng sản phẩm từ vỉa vào giếng), các giếng được đưa vào khai thác dầu khí,
tuy nhiên khơng loại trừ có những giếng được sử dụng chỉ để bơm ép nước vào vỉa.
Trước tiên theo quy luật, các sản phẩm của vỉa có áp suất cao sẽ tự phun (Fontan),
sau một thời gian tùy vào năng lượng của giếng, các giếng này sẽ ngừng tự phun.
Nếu kết thúc khai thác ở giai đoạn này, lượng sản phẩm thu được chỉ bằng khoảng
20% trữ lượng của giếng. Do vậy, cần phải áp dụng các phương pháp khai thác
khác tiếp theo để tăng hệ số thu hồi dầu: bơm ép nước vào vỉa để duy trì áp suất vỉatăng năng lượng cho vỉa, khai thác bằng gaslift, khai thác bằng hệ thống bơm điện
chìm (bơm ly tâm hoặc bơm trục vít), ở điều kiện khai thác trên đất liền- sử dụng hệ

thống máy bơm dạng piston sử dụng cần dẫn động từ mặt đất- hay bơm piston cần
(станок-качалка/ Rode Type Pumping system).
1.1.1 Phương pháp khai thác tự phun
Tự phun theo các tài liệu [1] và [3] là phương pháp khai thác đơn giản và hiệu quả
nhất, sử dụng năng lượng của vỉa dựa vào độ chênh áp giữa áp suất vỉa và áp suất
miệng giếng để đưa dòng sản phẩm vỉa lên miệng giếng và thu gom, khai thác
(ΔPt=Pwf-Pwh, trong đó: Pwf- áp suất đáy giếng, Pwh- áp suất miệng giếng). Dòng
sản phẩm vỉa sẽ đi qua cột ống nâng khai thác và điều chỉnh qua thiết bị miệng
giếng- cây thông khai thác (xem sơ đồ cây thơng khai thác ở hình 1.1)

 

 


Đầu bao ống chống

Cây thơng khai thác

13

Hìn
nh 1.1. Sơ đồ
đ đầu giến
ng khai tháác tự phun-- một ống nâng
n
1-Các đồng
đ
hồ ápp lực; 2- Vaan đồng hồ (3 ngả); 3- Nắp chụp đầu giếng; 4,9Các vaan chặn (cơ
ơ khí hoặc thuỷ lực); 5-Chữ thậpp cây thônng khai thácc; 6Adapteer chuyển tiếp; 7-Ống nnối; 8-Chữ thập đầu baao ống chốnng; 10-Côn; 11Mặt bícch đầu bao ống chống;; 12-Đường

g ra khoảng ngồi cần.
ợc lắp đặt để điều khiển hoạt độngg của giếngg. Nhờ nó cóó thể
Thiiết bị miệngg giếng đượ
điềều chỉnh sản
n lượng khaai thác, giảm
m hoặc dừngg khai thác..
Saau khi áp su
uất vỉa giảm
m đến mức khơng cịnn mức chênnh áp so vớ
ới cột ống nâng,
n
giếếng ngừng tự
ự phun. Từ
ừ đây người ta phải áp dụng
d
phươnng pháp khaai thác khácc đối
vớii giếng này, như khai thác
t
bằng ccơ học (dùnng gaslift, bbơm…) hoặặc bổ sung năng
n
lượ
ợng cho vỉa (duy trì áp suất vỉa).


14

Trong việc duy trì khai thác tự phun, hiện nay trong ngành dầu khí nói chung và tại
XNLD “Vietsovpetro” nói riêng đang áp dụng rất phổ biến công nghệ bơm ép nước
vào vỉa ở áp suất cao nhằm tăng năng lượng cho vỉa và nhờ đó các giếng tiếp tục có
đủ năng lượng để tự phun.

1.1.2 Phương pháp khai thác bằng gaslift
Sau khi kết thúc tự phun do năng lượng vỉa không đủ, người ta chuyển sang khai
thác bằng cơ học, trong đó truyền cho giếng nguồn năng lượng từ bên ngồi (từ phía
trên miệng giếng). Một trong các phương pháp đó là đưa nguồn khí nén áp suất cao
vào giếng và được gọi là khai thác bằng gaslift, xem các tài liệu [1] và [3].
Gaslift là một hệ thống bao gồm hệ thống ống vận hành (gồm cột ống chống và cột
ống nâng khai thác được thả trong cột ống chống), trong đó dung dịch vỉa được đưa
lên bề mặt (khai thác) nhờ nguồn khí nén cao áp. Theo sơ đồ cung cấp nguồn khí
nén người ta chia ra làm 2 loại- gaslift nhờ máy nén và gaslift không máy nén; cịn
theo sự tác động của khí nén- gaslift liên tục và gaslift định kỳ.

a

b

c

d

Hình 1.2. Kết cấu của các hệ thống gaslift
Dung dịch
Khí nén

 

 

e

15

Nguyên lý làm việc của hệ thống gaslift:
Đưa nguồn khí nén cao áp vào khoảng không gian vành xuyến giữa cột ống nâng và
ống chống (khoảng ngoài cần), do vậy cột chất lỏng trong khoảng khơng gian này
hạ xuống, cịn trong ống nâng khai thác cột chất lỏng nâng cao lên. Khi cột chất
lỏng ngoài cần giảm xuống đến đáy dưới của cột ống khai thác, khí nén bắt đầu đi
vào cột ống nâng khai thác và hòa trộn với chất lỏng. Do vậy, khối lượng riêng của
dung dịch chất lỏng-khí này sẽ nhỏ hơn khối lượng riêng của chất lỏng từ vỉa, cột
dung dịch chất lỏng trong cột ống nâng khai thác sẽ dâng cao. Càng đưa khí vào
càng nhiều thì khối lượng riêng dung dịch càng nhỏ và cột dung dịch càng dâng cao
trong cột ống nâng khai thác.
Khai thác gaslift có thể là thường xuyên hoặc gián đoạn. Gaslift định kỳ sử dụng
cho những giếng có trữ lượng thấp đến 40-60 tấn/ ngày đêm; hoặc có áp suất vỉa
thấp. Chiều cao nâng cột chất lỏng khi sử dụng gaslift định kỳ phụ thuộc vào áp
suất đưa khí vào giếng và độ ngập trong mực chất lỏng vỉa của cột ống khai thác.
Đối với hệ thống gaslift liên tục: khí nén được đưa vào giếng liên tục, cột chất
lỏng được dâng lên đến miệng giếng và đưa đi thu gom, đồng thời một lượng dung
dịch vỉa khác lại được thường xuyên đưa vào giếng.
Sản lượng khai thác của giếng gaslift phụ thuộc và khối lượng và áp suất khí nén
đưa vào giếng, mức độ ngập của cột ống nâng khai thác trong dung dịch vỉa, đường
kính cột ống nâng khai thác, độ nhớt của chất lỏng vỉa…
Kết cấu của các giếng gaslift được xác định phụ thuộc vào số lượng cột ống nâng
khai thác thả vào giếng, và hướng đưa nguồn khí nén vào giếng. Theo số lượng cột
ống nâng khai thác: một (1) hoặc hai (2) dãy cột ống nâng khai thác; theo hướng
đưa khí nén vào giếng: gaslift hình xuyến – gaslift ngồi cần và gaslift trung tâm
(xem Hình 1.2).

 

 


16

Đối với giếng gaslift sử dụng một (1) dãy cột ống nâng khai thác, nguồn khí nén
được đưa vào khoảng không gian vành xuyến giữa cột ống chống và ống nâng khai
thác (khoảng ngồi cần), hỗn hợp chất lỏng- khí được đưa lên theo cột ống nâng
khai thác (trong cần), hoặc ngược lại khí nén đưa vào trong cần và hỗn hợp dung
dịch chất lỏng- khí đưa đưa lên từ khoảng ngồi cần. Trường hợp 1 ta có hệ thống
gaslift một (1) dãy cột ống nâng dạng ngoài cần (vành xuyến) -(hình 1.2-a) và
trường hợp 2- hệ thống gaslift một (1) dãy cột ống nâng dạng trong cần (hình 1.2b).
Đối với giếng gaslift 2 dãy cột ống nâng khai thác, người ta thả vào giếng 2 dãy ống
đồng trục với nhau. Nếu khí nén được đưa vào khoảng khơng gian giữa 2 cột ống
nâng khai thác và hỗn hợp chất lỏng- khí được đưa lên từ trong cột ống nâng khai
thác bên trong thì được gọi là gaslift 2 dãy ống nâng khai thác dạng vành xuyến
(ngồi

cần)-

Hình

1.2-c.

Dãy

ống

nâng

khai

thác

bên

ngồi

thơng thường chỉ được thả đến phin lọc của giếng.
Đối với các giếng gaslift 2 dãy ống nâng khai thác dạng vành xuyến, người ta thả
vào giếng 2 dãy ống nâng khai thác, trong đó dãy ngồi được kết nối từ các ống có
đường kính khác nhau, phái trên miệng giếng có đường kính lớn hơn và phía dướinhỏ hơn. Khí nén được đưa vào khoảng vành xuyến giữa 2 cột ống nâng khai thác
và hỗn hợp chất lỏng –khí được đưa lên từ cột ống nâng khai thác bên trong cùng.
Nếu khí nén được đưa vào trong cần ống nâng khai thác, hỗn hợp chất lỏng- khí
được đưa lên từ khoảng vành xuyến giữa 2 cột ống nâng khai thác-người ta gọi là
gaslift 2 dãy dạng trung tâm (trong cần)- Hình 1.2-d. Nhược điểm của hệ thống
gaslift dạng trung tâm là có khả năng ăn mòn các ống nối của các cột ống nâng khai
thác khi trong sản phẩm của giếng có nhiều cát. Ngồi ra, sẽ rất khó khăn trong việc
xử lý nếu có sự bám dính paraffin và muối trong khoảng ngoài cần.

 

 


17

Lợi thế của kết cấu 2 dãy ống nâng khai thác so với 1 dãy là khả năng làm việc dễ
dàng và có khả năng đưa hỗn hợp dung dịch vỉa có cát từ giếng tốt hơn. Tuy nhiên
sử dụng kết cấu 2 dãy ống nâng khai thác cần phải thả xuống giếng 2 cột ống, tăng

chi phí và khối lượng cơng việc cho qúa trình khai thác. Do vậy trong thực tế
thường phổ biến sử dụng kết cấu trung gian vừa đảm bảo những lợi thế của kết cấu
2 dãy vừa tiết kiệm chi phí (xem Hình 1.2-e)
Những ưu việt của phương pháp khai thác gaslift:
1. Khả năng khai thác được lưu lượng lớn với mọi đường kính cột ống nâng
khai thác. Đồng thời có khả năng khai thác cả đối với những giếng có độ
ngập nước cao.
2. Khai thác giếng với hệ số khí cao (tỷ suất khí), tức là có thể sử dụng năng
lượng của khí trong vỉa.
3. Ít chịu ảnh hưởng của kết cấu cột ống của giếng, điều này rất quan trọng đối
với những giếng xiên (nghiêng).
4. Sự làm việc của giếng không chịu ảnh hưởng của các điều kiện nhiệt độ, áp
suất và cả sự có mặt của thành phần rắn (cát) trong sản phẩm của giếng.
5. Có khả năng điều chỉnh chế độ làm việc của giếng theo sản lượng một cách
dễ dàng.
6. Dễ dàng bảo dưỡng và sửa chữa các giếng gaslift và thời gian đến sửa chữa
lớn nếu sử dụng các trang thiết bị hiện đại.
7. Có khả năng sử dụng phương pháp khai thác giếng riêng biệt đồng thời, dễ
dàng và hiệu quả trong việc chống ăn mòn, chống lại sự bám dính của
paraffin và ngồi ra rất dễ dàng cho việc khảo sát giếng.
Tuy nhiên phương pháp khi thác bằng gaslift cũng có những nhược điểm sau:
1. Chi phí ban đầu rất cao trong việc xây dựng trạm máy nén khí.
2. Hệ số hữu ích thơng thường thấp.

 

 


18

3. Có khả năng tạo ra nhũ tương bền vững trong sản phẩm của giếng.
Do vậy, phương pháp khai thác bằng gaslift dùng trạm máy nén khí thường được sử
dụng có hiệu quả tại các mỏ lớn, có các giếng có sản lượng cao và áp suất vỉa lớn
sau khi tự phun. Ngồi ra, có thể sử dụng tại những giếng có độ nghiêng lớn và các
giếng có hàm lượng thành phần chất rắn cao.
Gaslift khơng máy nén khí: Trong trường hợp giếng khai thác dầu nằm gần mỏ khí
(hoặc giếng khi thác khí) có dự trữ đủ lớn và có áp suất đáp ứng được u cầu tính
tốn người ta sử dụng phương pháp gaslift khơng máy nén khí. Tuy nhiên hệ thống
này chỉ được sử dụng tạm thời cho đến khi xây dựng được trạm máy nén khí; trong
đó hệ thống gaslift hồn tồn giống khai thác bằng gaslift thơng thường, chỉ khác là
nguồn khí đưa vào giếng khác nhau.
1.1.3 Phương pháp khai thác bằng hệ thống bơm piston cần dẫn động từ mặt
đất, hay còn gọi là bơm piston cần [1] (станок-качалка/ Rod-type
Pumping system).
Theo thống kê tại CHLB Nga là nước có sản lựơng khai thác dầu lớn nhất thế giới
năm 2006, các giếng khai thác tự phun và gaslift chỉ chiếm tỷ lệ khoảng 13% so với
tổng số giếng (nhưng lượng dầu khai thác được chiếm hơn 30%); trong khi số lượng
các giếng khai thác bằng các hệ thống bơm lại chiếm tỷ lệ rất lớn- xem bảng thống
kê dưới đây:
Bảng 1.1. Số liệu khai thác dầu tại CHLB Nga năm 2006
STT Phương pháp khai Số lượng Sản lượng trung Sản lượng khai thác, %
bình, t/ngày đêm
so với tổng sản lượng
thác
giếng, %
Theo chất Theo dầu
Theo chất
Theo
dầu

lỏng
lỏng
1. Tự phun
8,8
31,1
51,9
19,5
9,3

 

 


19

2.

Gaslift

4,3

35,4

154,7

11,6

14,6

3.

Bơm điện ly tâm

27,4

28,5

118,4

52,8

63,0

4.

Bơm piston cần

59,4

3,9

11,0

16,1

13,1

5.

Khác

0,1

-

-

-

-

Theo http:\\www.ngfr.ru [16]
Phương pháp khai thác dầu bằng bơm piston cần: Xem cấu trúc của hệ thống bơm
ở Hình 1.3 dưới đây:

Hình 1.3. Hệ thống bơm piston cần (Rod-Type Pumping System)
1-Đầu treo cần; 2- Bộ phận cân bằng; 3-Trụ đỡ; 4-Thanh truyền; 5-Tay quay; 6-Hộp giảm
tốc; 7- Bánh đà bị động; 8- Dây cu-roa; 9- Động cơ điện; 10-Bánh đà dẫn động; 11- lưới
bảo vệ; 12-Đế; 13-Đế máy; 14- Đối trọng; 15-Thanh đỡ; 16-Phanh

Hệ thống bơm piston cần bao gồm cụm thiết bị bề mặt dẫn động, dẫn động máy
bơm sâu đặt tại đáy giếng qua cần. Đây là phương pháp khai thác phổ biến trên thế
giới (không chỉ ở CHLB Nga), chiếm khoảng 65-70% tổng số giếng khai thác và

 

 

20

25-30% sản lượng dầu trên thế giới dùng phương pháp này. Công suất của bơm từ
vài chục kg đến vài trăm tấn/ ngày đêm; chiều sâu khai thác max đạt 3000m [1]
Nguyên lý làm việc của bơm rất đơn giản, trong đó nhờ chuyển động qua lại của
piston qua cần dẫn động tạo ra dòng chất lỏng đi qua cột ống nâng khai thác và đưa
lên bề mặt để thu gom. Cần nhận chuyển động tịnh tiến từ trên mặt đất nhờ cơ cấu
thanh truyền-tay quay và cơ cấu đòn bẩy, truyền chuyển động cho Piston trong xi
lanh. Khi cần đi xuống, van hút của piston mở, dầu từ trong xi lanh đi vào khoảng
rỗng của piston. Khi cần đi lên, van hút piston đóng, đưa dầu trong piston đi lên
theo ống nâng khai thác, đồng thời van cố định của xi lanh mở, dầu từ giếng qua
ống hút vào khoang xi lanh.
Hoạt động của hệ thống có thể mơ tả vắn tắt [1]: động cơ điện của hệ thống thiết
bị bề mặt quay cơ cấu chấp hành của thiết bị tạo ra chuyển động qua lại (lên xuống)
của cần bơm- chế tạo từ thép tròn, đặc, chiều dài mỗi đoạn từ 7,5-9m nối dài nối
với nhau bằng ống nối chun dụng (măng sơng); đường kính 5/8"; ¾"; 7/8", "1, 11/8". Đường kính bơm từ 28-95mm, số chu trình nâng hạ: từ 4,5-15 lần/ phút, chiều
dài hành trình: 1300-4200mm. Năng lượng từ cần bơm truyền cho bơm sâu và bơm
này thu gom dầu đưa lên miệng giếng.
Phương pháp khai thác này khơng địi hỏi u cầu cao đối với sản phẩm của vỉa so
với các phương pháp khai thác khác. Máy bơm dạng cần có thể khai thác tất cả các
loại dầu trong đó có các thành phần rắn (cát), hệ số khí cao…
Ngồi ra, phương pháp khai thác này có hiệu suất cao.
1.1.4 Phương pháp khai thác bằng hệ thống máy bơm điện chìm
Để đưa các sản phẩm của vỉa từ giếng lên sử dụng máy bơm ly tâm có cột áp đủ
lớn, tồn bộ bơm và động cơ điện và các thiết bị cấu thành chủ yếu khác được
nhúng chìm trong giếng- Hệ thống này được gọi là hệ thống bơm điện chìm ly tâm.

 

 

21

Tuy nhiên, đối với những mỏ dầu có độ nhớt cao cần có cơng suất dẫn động lớn với
lưu lượng tương ứng, người ta sử dụng hệ thống máy bơm điện chìm dạng trục vít.
Cả 2 dạng hệ thống bơm này được gọi chung là các hệ thống máy bơm điện chìm
khai thác dầu. Các máy bơm ly tâm hoặc trục vít lắp đặt dưới giếng được dẫn động
bởi các động cơ điện chìm. Nguồn năng lượng điện đưa vào động cơ qua cáp điện
đặc chủng. Các hệ thống bơm chìm này tương đối dễ dàng trong việc bảo dưỡng, do
thiết bị bề mặt chỉ bao gồm tủ điều khiển và trạm biến thế, không cần người làm
việc thường xuyên. Đối với phương pháp này có thể dễ dàng xử lý việc bám dính
của parffin bằng cách sử dụng nạo tự động hoặc phủ lớp phủ chống bám dính lên
bề mặt trong của cột ống nâng khai thác.
Hệ thống bơm điện chìm ly tâm
Máy bơm chìm ly tâm có nhiều tầng cánh (khoảng từ 80-500 tầng hoặc hơn
[6,14,15]) phụ thuộc vào lưu lượng của giếng và chiều cao nâng. Chất lỏng đi vào
bơm qua đường hút có phin lọc ở đáy bơm. Động cơ điện chìm được làm mát bằng
dầu động cơ điền đầy sẵn trong động cơ. Nhằm tránh sự thâm nhập của dung dịch
vỉa vào động cơ người ta bố trí thiết bị bảo vệ (protector) lắp ngay đầu motor. Năng
lượng điện được truyền xuống động cơ chìm qua dây cáp điện cao thế. Điện áp của
động cơ được điều chỉnh qua máy biến thế lắp đặt ở bề mặt, có thể chuyển đổi từ
380 V sang 400-2000V.
Thiết bị bề mặt còn bao gồm trạm điều khiển được trang bị các thiết bị đo dòng và
điện áp làm viêc của motor, điều khiển; nhờ đó có thể dừng bơm hoặc bằng tay
hoặc tự động theo các thông số cài đặt.
Cột ống nâng khai thác được lắp đặt van một chiều và van xả. Van một chiều giữ
chất lỏng trong ống nâng khi dừng bơm, nhờ đó dễ dàng khởi động bơm. Van xả sử
dụng để xả cột chất lỏng khi tháo thiết bị.
Hệ thống bơm điện chìm dạng trục vít: để nâng cao hiệu quả khai thác đối với

 

 


22

những giếng có độ nhớt của dầu cao người ta sử dụng hệ thống bơm điện chìm dạng
trục vít. Hệ thống thiết bị ngầm của dạng bơm này cũng tương tự như của hệ thống
bơm điện chìm ly tâm, gồm động cơ điện chìm và thiết bị bảo vệ, máy bơm trục vít,
cáp điện, van ngược, van xả, thiết bị bề mặt, máy biến thế, trạm điều khiển.
1.2 Đặc điểm của hệ thống máy bơm điện chìm ly tâm khai thác dầu, kết cấu
và nguyên lý làm việc
1.2.1 Các đặc điểm cơ bản của hệ thống máy bơm điện chìm ly tâm (Electric
Submersible pump- ESP)
Hệ thống máy bơm điện chìm ly tâm là một trong những dạng bơm thông dụng và
hiệu qủa nhất trong việc thu gom các sản phẩm từ các giếng, do nó tạo ra cột áp đủ
lớn với lưu lượng định sẵn, đồng thời hiệu suất cũng đảm bảo và độ tin cậy của thiết
bị cao.
Các đặc trưng cơ bản của hệ thống bơm điện chìm ly tâm ( ESP):
-

Máy bơm chìm được dẫn động bằng động cơ điện chìm, trong đó nguồn điện
động lực được truyền xuống động cơ bằng loại cáp điện đặc chủng, lắp đặt
vào trong giếng bằng cách kẹp với ống nâng khai thác. Do nguồn dẫn động
(motor) nối liền với bơm nên có thể dễ dàng giải quyết vấn đề truyền năng
lượng cho bơm, đồng thời sử dụng các máy bơm có cơng suất lớn, nhỏ khác
nhau.

-

Đối với những giếng có sản lượng lớn, sử dụng hệ thống bơm ESP mang lại
hiệu quả kinh tế lớn và giảm khối lượng công việc khai thác so với khai thác
giếng bằng hệ thống gaslift dùng máy nén khí hoặc các loại máy bơm khác.
Khi lưu lượng lớn, suất hao phí năng lượng cho hệ thống bơm ESP không
cao; hệ số hữu dụng của bơm tương đối cao (đến 35%). Ngoài ra, việc vận
hành, bảo dưỡng hệ thống thiết bị tương đối đơn giản, trên bề mặt chỉ có máy

 

 


23

biến thế và trạm điều khiển- khơng cần sự có mặt thường xuyên của người
vận hành.
-

Khi sử dụng hệ thống bơm ESP có thể sử dụng các biện pháp hữu hiệu để
giảm thiểu độ bám đính của paraffin vào thành ống nâng. Có thể sử dụng ống
nâng có lớp phủ đặc biệt, hệ thống tự động đưa hóa phẩm xuống giếng; thiết
bị nạo paraffin tự động, thả xuống giếng bằng dây cáp thép.

-

lắp đặt thiết bị bề mặt rất đơn giản- máy biến thế và trạm điều khiển- không
cần xây dựng móng lắp đặt thiết bị

-

Thời gian giữa 2 lần sửa chữa cách xa- thông thường từ 1 năm trở lên.

1.2.2 Kết cấu và nguyên lý làm việc của hệ thống máy bơm điện chìm ly tâm,
tóm tắt và tổng hợp từ các tài liệu [4],[6],[14],[15]
Hệ thống bơm điện chìm ly tâm khai thác dầu bao gồm các thiết bị bề mặt và các
thiết bị lắp đặt dưới giếng.
Thiết bị bề mặt:
-

Máy biến thế

-

Tủ điều khiển

-

Hộp nối dây

-

Thiết bị miệng giếng, kết nối giữa ống nâng và đường ống ra, vào; đồng thời
kết nối cáp điện động lực với motor

Thiết bị lắp đặt dưới giếng:
-

Bộ thiết bị đo nhiệt độ và áp suất vị trí lắp đặt thiết bị bơm (Downhole Data

Acquisition Instrument)

-

Động cơ điện chìm (Submesible motor)

-

Thiết bị bảo vệ động cơ ( Motor protector and equalizer)

-

Bộ tách khí đồng thời là đầu vào của máy bơm ( Intake- Gas Separator)

-

Các tầng bơm ( phần bơm có thể là 1 hoặc nhiều tầng bơm lắp nối tiếp với
nhau)