Tải bản đầy đủ
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC CƠ HỌC

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC CƠ HỌC

Tải bản đầy đủ

cấp năng lượng bổ sung này thường để giảm chiều cao mực chất lỏng trong giếng hoặc
để giảm mật độ của dòng sản phẩm trong ống khai thác nhằm tăng chênh áp.
ΔP = Pv – Pñ

[2.1]

Nhưng thực tế trong khai thác dầu trên thế giới, phương pháp tự phun thường
kéo dài trong vài năm đầu tiên của đời mỏ. Do vậy cần phải có biện pháp kéo dài chế
độ tự phun của giếng dầu càng lâu càng tốt. Khi chế độ tự phun không thực hiện được,
người ta phải nghiên cứu và tìm ra các giải pháp khai thác dầu bằng phương pháp cơ
học. Tuy nhiên dựa theo nguyên lý truyền năng lượng mà các phương pháp khai thác
cơ học được phân loại theo các nhóm sau:
-

Truyền lực bằng cần.
Truyền lực bằng thủy lực.
Truyền lực bằng điện năng.
Truyền lực bằng khí nén cao áp.

Dưới đây là một số phương pháp khai thác cơ học hiệu quả và phạm vi ứng
dụng của từng phương pháp trong công nghiệp khai thác dầu trên thế giới.
2.1 Phương pháp khai thác dầu bằng máy bơm piston cần
2.1.1 Bản chất của phương pháp.
Máy bơm cần truyền lực còn gọi là máy bơm cần kéo (hình 2.2) bao gồm thiết
bị trên bề mặt và thiết bị trong giếng.Thiết bị trong giếng bao gồm máy bơm cùng với
van hút 1 (cố định); van đẩy 2; máy bơm 3 và các ống dẫn. Ngoài ra thiết bị lòng giếng
còn có các bộ phận bảo vệ khác như thiết bị chống cát, chống khí xâm nhập, v.v…
được nối với miệng hút của máy bơm nhằm tăng khả năng làm việc của máy bơm trong
những trường hợp phức tạp (giếng có khí hoặc có cát).

11

Thiết bị bề mặt bao gồm động cơ, bộ phận chuyển đổi, đầu miệng giếng.Động
cơ được dùng để cung cấp chuyển động quay cho toàn bộ tổ hợp. Bộ phận chuyển đổi
chuyển hóa chuyển động quay của động cơ sang chuyển động tịnh tiến lên xuống .
Thanh cân bằng có chức năng trung chuyển năng lượng và thay đổi độ dài chuyển động
của tổ hợp máy bơm.

Hình 2.2: Phương pháp khai thác bằng piston cần
Tất cả các chi tiết được gia cố chắc chắn với một khung, gắn chặt trên nền bê
tông. Ngoài ra tất cả máy bơm cần kéo còn được trang bị thiết bị điều chỉnh bởi thiết bị
phanh hãm nhằm giữ cân bằng và tay quay ở vị trí cho trước bất kỳ. Điểm giao nhau
với tay quay có thểthay đổi khoảng cách tương đối so với tâm quay bởi sự hoán vị vị trí
của tay quay.

12

Máy bơm cần đẩy có xi lanh (buồng chứa sản phẩm) có độ dài từ 2m đến 4 m,
phía dưới có van ngược đóng vai trò như là van hút chất lỏng. Xi lanh treo trên cột ống
nâng, bên trong nó chứa pit tông có độ dài từ 1 đến 1,5 m. Pit tông có van ngược đóng
vai trò là van đẩy. Pit tông được nối trực tiếp với cần truyền lực. Khi pit tông chuyển
động lên, chất lỏng qua van hút và chảy vào xi lanh của máy bơm. Khi pit tông chuyển
động xuống dưới thì van hút đóng lại và van đẩy mở. Trong quá trình hút đẩy liên tục
như vậy chất lỏng khai thác sẽ nâng dần theo cột ống nâng lên miệng giếng và được
vận chuyển đến hệ thống thu gom.
2.1.2 Ưu điểm.







Hoạt động an toàn, gặp ít sự cố trong quá trình khai thác.
Cấu tạo đơn giản.
Dễ dàng thay đổi tốc đồ khai thác.
Chi phí tháo lắp, di chuyển thấp.
Quá trình vận hành đơn giản, hiệu quả.
Sử dụng được cho các giếng có lưu lượng nhỏ, khai thác tại nhiều tầng
sản phẩm, áp suất thấp, nhiệt độ thấp, dầu có độ nhớt cao.

2.1.3 Nhược điểm.
 Phải lắp đặt ở vị trí trung tâm giếng.
 Hệ thống bơm piston cần (nặng nề, cồng kềnh) không thích hợp khi
khai thác trên biển.
 Nhạy cảm với trường hợp dầu có nhiều parafin.
 Không thể sơn phủ lớp chống ăn mòn bên trong ống khai thác.
 Độ sâu thả bơm hạn chế bởi nồng dộ khí H2S.
2.1.4 Phạm vi ứng dụng.
Giải pháp này được áp dụng chủ yếu ở các mỏ của các nước thuộc Liên Xô cũ,
các mỏ ở Trung Cận Đông và các mỏ ở Mỹ. Các mỏ này, vỉa sản phẩm có độ sâu
không lớn, đang trong giai đoạn khai thác giữa và cuối đời của mỏ có áp suất đáy giếng
thấp dao động trong khoảng 10 ÷ 15 at. Bơm piston cần chỉ sử dụng hiệu quả trong
những giếng có lưu lượng khai thác ít hơn 70T/ngđ. Do điều kiện khai thác trên biển
bằng giàn cố định hay giàn vệ tinh có diện tích sử dụng nhỏ, nếu áp dụng phương pháp
này sẽ có nhiều điểm hạn chế so với các phương pháp cơ học khác.

13

2.2 Khai thác dầu bằng máy bơm thuỷ lực ngầm
2.2.1 Bản chất của phương pháp
Hiện nay trong công nghiệp khai thác dầu người ta sử dụng 2 loại máy bơm thuỷ
lực ngầm chính: Bơm đẩy thuỷ lực ngầm và bơm tia.
- Bơm đẩy thuỷ lực ngầm làm việc bằng động cơ piston thuỷ lực được nối với
piston của bản thân máy bơm. Dòng chất lỏng mang năng lượng (dầu hoặc nước) được
bơm xuống từ mặt đất theo không gian giữa cột ống khai thác và cột ống chống khai
thác, cung cấp năng lượng cho máy bơm, sau đó dòng chất lỏng mang năng lượng cùng
với dòng sản phẩm khai thác từ giếng được đẩy lên bề mặt.
- Bơm tia hoạt động nhờ vào sự biến đổi các dạng năng lượng từ áp suất sang
vận tốc và ngược lại. Dòng chất lỏng mang năng lượng cao (áp suất cao) được bơm
xuống giếng từ miệng giếng theo ống khai thác đến thiết bị chuyển hoá năng lượng. Ở
đó năng lượng, áp suất được biến thành năng lượng vận tốc. Dòng chất lỏng có vận tốc
lớn nhưng áp suất nhỏ này tiếp tục đẩy dòng sản phẩm khai thác cùng đi vào bộ phận
phân ly và sau đó cùng đi lên bề mặt theo khoảng không gian giữa ống chống khai thác
và ống khai thác.
2.2.2 Ưu điểm





Không cần lắp ở vị trí trung tâm giếng
Không bị ảnh hưởng khi quỹ đạo giếng cong
Dễ dàng thay đổi tốc độ phù hợp với lưu lượng của giếng
Có thể khai thác với áp suất tương đối thấp và dầu có độ nhớt tương đối

cao
 Có thể khai thác nhiều tầng sản phẩm một lúc và khai thác trên biển
 Hạn chế ăn mòn
 Các hóa phẩm chống lắng đọng, chống ăn mòn có thể bơm cùng với
dòng chất lỏng mang năng lượng.
2.2.3 Nhược điểm
 Lưu lượng khai thác phải tương đối lớn
 Khả năng hư hỏng tương đối cao, khi sửa chữa phải sử dụng thiết bị cơ





học chuyên dụng
Không áp dụng cho trường hợp sản phẩm có hàm lượng rắn cao
Chi phí vận thường cao hơn dự tính
Khó khăn trong việc xử lý phần rỉ sắt bên dưới paker
Áp suất vận hành trên bề mặt cao
14

 Đòi hỏi khả năng vận hành cao và chuyên sâu.
2.2.4 Phạm vi ứng dụng
Phương pháp khai thác cơ học này chủ yếu được áp dụng ở những vùng mỏ trên
đất liền và ngoài biển của Liên Xô cũ, các vùng mỏ trên đất liền và thềm lục địa của
Mỹ, vùng Biển Bắc. Giếng khai thác bằng bơm thuỷ lực ngầm có sản lượng vừa và
trung bình, thường đạt 100m3/ngđ. Các vùng, mỏ kể trên có độ sâu tầng sản phẩm từ
1500 ÷ 2500m.Thân giếng có độ nghiêng trung từ 200 ÷ 300.
2.3 Phương pháp khai thác dầu bằng bơm ly tâm điện chìm
2.3.1 Bản chất của phương pháp
Về nguyên lý, bơm ly tâm để bơm đẩy chất lỏng từ giếng lên bề mặt không khác
so với các máy bơm đẩy thông thường. Tuy nhiên do kích thước cột ống chống khai
thác nhỏ và cần có cột áp lớn nên đã làm hạn chế việc sử dụng các loại máy bơm đẩy
khác. Máy bơm điện ly tâm ngầm đã khắc phục được những nhược điểm trên.
Máy bơm điện ly tâm ngầm gồm nhiều cấp hoạt động theo nguyên tắc ly tâm.
Mỗi khối có thể có tới 120 cấp.Động cơ điện được cung cấp điện năng nhờ hệ thống
cáp dẫn từ trên miệng giếng xuống.Điện áp được chuyển đổi nhờ hệ thống thiết bị điều
khiển.Tổ hợp máy bơm điện được thả xuống giếng thấp hơn mực thủy động khoảng
150-300m.Chất lỏng được đẩy vào cột ống nâng.Cáp điện được kẹp chặt ở phía ngoài
cột ống nâng.

15

Hình 2.3: Phương pháp khai thác bằng bơm ly tâm điện chìm
Bộ phận bảo vệ và động cơ điện là các chi tiết riêng biệt được nối thành một
khối liên kết.Trong trường hợp cần phải nâng chất lỏng khai thác từ các giếng sâu ta có
thể nối nhiều cấp máy bơm lại với nhau và có thể lên tới 400 cấp.Chất lỏng được máy
16

bơm hút vào sau đó đi qua các cấp của máy bơm với một áp lực bằng sức cản thủy lực.
Máy bơm điện ly tâm ngầm khác với các loại máy bơm khác ở chỗ sử dụng khối lượng
kim loại ít, có dải cột áp và lưu lượng làm việc rộng và có hệ số hiệu dụng cao. Máy
bơm điện ly tâm ngầm có khả năng bơm đẩy một khối lượng lớn chất lỏng và thời gian
giữa hai chu kỳ sửa chữa lớn. Nếu so sánh bơm điện ly tâm ngầm với máy bơm cần
kéo thì khả năng bơm chất lỏng của bơm điện ly tâm ngầm lớn hơn 8 lần so với bơm
cần kéo, với sản lượng tương ứng là 114,7 tấn/ngđêm và 14,1 tấn/ngđêm.
Tất cả máy bơm đều có đặc trưng làm việc ở dạng đường cong quan hệ giữa cột
áp và lưu lượng H(Q); hiệu suất và lưu lượng η(Q); công suất động cơ và lưu lượng
N(Q). Thông thường thì các mối quan hệ này cho trong khoảng giá trị làm việc của lưu
lượng hoặc trong dải rộng (hình 2.4).
Mỗi một máy bơm điện ly tâm ngầm có thể làm việc khi khoá van xả ở miệng
giếng (điểm А: Q = 0; H = H max) và khi không có đối áp trên miệng ra của máy bơm
(điểm В: Q = Qmax; H = 0). Công có ích của máy bơm tỷ lệ thuận với lưu lượng và cột
áp nên trong cả hai trường hợp trên thì công có ích và hiệu suất làm việc của máy bơm
đều bằng 0. Ở các quan hệ Q và H, giả sử tổn hao ma sát là nhỏ nhất thì hiệu suất làm
việc của máy bơm đạt 0,5 – 0,6. Thông thường máy bơm làm việc với lưu lượng chất
lỏng ít, đường kính nhỏ và số cấp nhiều thì hiệu suất rất thấp.Lưu lượng khai thác được
và công suất tương ứng với hiệu suất lớn nhất được gọi là chế độ làm việc tối ưu của
máy bơm.
Ở gần giá trị lớn nhất trong quan hệ hiệu suất và lưu lượng η(Q) giảm nhẹ, vì
thế ở các chế độ làm việc của máy bơm trong khoảng cho phép chỉ sai khác so với giá
trị tối ưu một vài giá trị nhỏ. Giới hạn sự chênh lệch phụ thuộc vào đặc trưng cụ thể
của máy bơm và phải tương ứng với sự giảm hiệu suất của máy bơm (từ 3-5%).Điều
này quy định vùng làm việc của máy bơm (vùng gạch chéo trên hình 2.4).

17

Hình 2.4: Đường cong đặc trưng của máy bơm điện ly tâm ngầm

2.3.2 Ưu điểm
 Có thể khai thác với lưu lượng lớn.
 Có thể áp dụng cho các giếng khai thác đơn lẻ, chi phí đầu tư ban đầu
thấp.
 Thích hợp cho các giếng có độ ngập nước cao, yếu tố khí thấp, các giếng
trong giai đoạn khai thác thứ cấp.
 Nguồn năng lượng cung cấp cho máy bơm linh hoạt ( điện có sẵn hoặc từ
động cơ diezel ).
 Theo dõi và vận hành dễ dàng.
 Có thể khai thác sau khi khoan xong.
2.3.3 Nhược điểm
 Kém hiệu quả trong các giếng có yếu tố khí cao, nhiệt độ vỉa lớn, hệ số
sản phẩm thấp, hàm lượng vật cứng và parafin cao ( thực tế không áp
dụng khai thác được cho giếng có lưu lượng 21m 3/ng.đ và giếng có độ
sâu >= 2500m).
 Bị hạn chế bởi độ nghiêng của giếng.
 Không tận dụng được năng lượng của khí đồng hành.
 Khó khăn trong việc lắp đặt thiết bị an toàn sâu.

18



Do bị hạn chế bởi đường kính ống chống khai thác nên không thể áp

dụng cho các giếng có lưu lượng lớn hơn 700m3/ng.đ tại độ sâu 2400m
cho máy bơm có trục nhỏ và không quá 1100m 3/ng.đ cho máy bơm có
trục lớn từ các giếng có đường kính ống chống khai thác 168mm.
 Lưu lượng giảm nhanh theo chiều sâu lắp đặt, thường khai thác với chiều
sâu nhỏ hơn 4000m.
 Khó tiến hành khảo sát, đo địa vật lý giếng ở các vùng dưới máy bơm,
khó khăm trong việc xử lý vùng cận đáy giếng.
 Khó điều chỉnh lưu lượng khai thác.
2.3.4 Phạm vi ứng dụng
Phương pháp này tương đối phổ biến vì cấu trúc thiết bị và hệ thống khai thác
đơn giản, máy làm việc dễ dàng, có khả năng thu được lượng dầu tương đối lớn đến
hàng trăm tấn ngày đêm. Loại máy bơm này rất thuận lợi khi khai thác dầu ở những vỉa
có tỷ số khí dầu thấp, nhiệt độ vỉa dưới 2500F.Đặc biệt hiệu quả trong những giếng khai
thác nước, giếng dầu có độ ngậm nước cao và giếng dầu chưa bão hoà nước.
Ngày nay với sự phát triển của kỹ thuật, hệ thống bơm ly tâm điện chìm được sử
dụng trong những giếng có nhiệt độ lên tới 350 0F, khắc phục những giếng có tỷ lệ khí
dầu cao, bằng cách lắp đặt các thiết bị tách khí đặc biệt. Các chất ăn mòn gây hư hỏng
như H2S, CO2 có thể khắc phục nhờ các vật liệu đặc biệt phủ bên ngoài.
2.4 Khai thác dầu bằng phương pháp Gaslift
2.4.1 Bản chất của phương pháp
Khai thác dầu bằng phương pháp gaslift dựa trên nguyên tắc bơm khí nén cao áp
vào vùng không gian vành xuyến giữa ống khai thác và ống chống khai thác, nhằm đưa
khí cao áp đi vào trong ống khai thác qua van gaslift với mục đích làm giảm tỷ trọng
của sản phẩm khai thác, dẫn đến giảm áp suất đáy và tạo nên độ chênh áp cần thiết để
sản phẩm chuyển động từ vỉa vào giếng. Đồng thời do sự thay đổi nhiệt độ và áp suất
trong ống khai thác làm cho khí giản nở góp phần đẩy dầu đi lên, nhờ đó mà dòng sản
phẩm được nâng lên mặt đất và vận chuyển đến hệ thống thu gom, xử lý.

19

Hình 2.5: Phương pháp khai thác bằng gaslift
2.4.2 Ưu điểm
 Có thể đưa giếng vào khai thác khi khai thác tự phun không hiệu quả.
 Cấu trúc đơn giản, có thể áp dụng cho giếng có độ sâu, dộ nghiêng lớn.
 Khai thác với lưu lượng lớn, dễ dàng điều chỉnh lưu lượng khai thác, có
thể chuyển đổi linh hoạt giữa các chế độ khai thác khi áp suất vỉa và lưu
lượng khai thác giảm.
 Khai thác với giếng có yếu tố khí lớn, áp suất bão hòa cao.
20

 Có độ tin cậy lớn, khả năng tự dộng hóa cao.
 Có thể khai thác ở những giếng có nhiệt độ cao, hàm lượng parafin lớn,
giếng có cát, có tính ăn mòn cao.
 Khảo sát và sửa chữa giếng dễ dàng, ít gây tốn kém, có thể tiến hành
đồng bộ quá trình khảo sát, nghiên cứu giếng, đo địa vật lý giếng và làm
sạch lắng đọng parafin.
 Sử dụng triệt để khí đồng hành, không đòi hỏi thêm nguồn năng lượng bổ
sung ( điện ), ít gây ô nhiễm môi trường.
 Có thể khai thác đồng thời nhiều vỉa trong cùng 1 giếng.
 Giới hạn đường kính ống chống khai thác không ảnh hưởng đến sản
lượng khai thác.
 Giếng gaslift có chu kỳ giữa 2 lần sửa chữa lớn, việc sửa chữa các thiết bị
bề mặt tương đối dễ dàng.
2.4.3 Nhược điểm
 Đầu tư ban đầu cao hơn so với các phương pháp khác
 Hiện tượng áp suất ngược ( áp suất do cột thủy động tác dụng lên đáy
giếng) có thể làm giảm lưu lượng khai thác nếu chiều sâu giếng quá lớn
và áp suất vỉa giảm mạnh
 Năng lượng cần cho khai thác 1 tấn sản phẩm cao hơn so với các phương
pháp khác
 Yêu cầu lượng khí cung cấp lớn
 Mức độ nguy hiểm cao do sử dụng nguồn năng lượng khí nén cao áp, đòi
hỏi độ kín vào độ bền của đường ống cao
 Chi phí bảo dưỡng, vận hành trạm khí nén cao
 Hiệu quả thấp với những vỉa có trữ lượng nhỏ, hệ số sản phẩm thấp,
giếng đơn lẻ, dầu có độ nhớt cao.
2.4.4 Phạm vi ứng dụng
Hiện nay giải pháp khai thác dầu bằng phương pháp gaslift đang được áp dụng
rộng rãi trên cả đất liền và ngoài biển, đặc biệt đối với vùng xa dân cư và khó đi
lại.Giải pháp này thích ứng với những giếng có tỷ số khí dầu cao, có thể khai thác ở
những giếng có độ sâu lớn và độ nghiêng trung bình của vỉa sản phẩm cao trên 3000m.
2.5 Cơ sở lựa chọn công nghệ khai thác gaslift tại mỏ Ruby
Để có cơ sở lựa chọn phương pháp khả thi và hiệu quả nhất đối với điều kiện
block 01&02 cần phải xét đến các yếu tố sau:
21