Tải bản đầy đủ
CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT DÒNG CHẢY TRONG VỈA DẦU VÀ TRONG GIẾNG KHAI THÁC

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT DÒNG CHẢY TRONG VỈA DẦU VÀ TRONG GIẾNG KHAI THÁC

Tải bản đầy đủ

17
Để nghiên cứu dòng chảy của chất lỏng và khí từ vỉa vào giếng khoan, người ta
xác định mối phụ thuộc của vận tốc thấm v =

Q
hoặc lưu lượng Q đối với các đặc
F

điểm cơ bản của giếng và của vỉa sản phẩm như:
• Hệ số thấm k.
• Bề dày của vỉa h.
• Diện tích thấm F.
• Độ chênh lệch áp suất ΔP = Pv – Pd
• Độ nhớt của chất lỏng hoặc khí μ.
Người ta nhận thấy rằng:
Khi:
• h = const
• Q = const
• Vỉa có cấu tạo đồng nhất.
Thì:
Vận tốc thấm tăng liên tục và đạt Vmax ở thành giếng. Vận tốc thấm tăng dẫn đến
sức cản thủy lực tăng. Do vậy để chuyển dịch cho một đơn vị thể tích chất lỏng từ vỉa
vào giếng cần phải tăng thêm năng lượng cho một đơn vị chiều dài chuyển dịch nghĩa
là phải tăng thêm ΔP.
b Cơ sở nghiên cứu
Theo định luật thấm tuyến tính Darxi, vận tốc thấm tỉ lệ với độ chênh lệch áp
suất và tỷ lệ nghịch với độ nhớt của chất lỏng thấm, theo công thức:
Q=
(2.1)
Trong đó:
Q: Lưu lượng chất lỏng (m3/s).
K: Độ thấm (D).
F: Diện tích xung quanh giếng (m2).
∆P: Độ chênh áp giữa áp suất vỉa và áp suất đáy (at).
μ: Độ nhớt động học của chất lỏng.
L: Đoạn đường chuyển động của chất lỏng từ vỉa vào giếng.
Gọi: ri là bán kính từ tâm giếng đến điểm bất kỳ ngoài vỉa, r g là bán kính giếng
và R là bán kính ảnh hưởng của dòng sản phẩm trong vỉa.
Giả sử chiều dày h của vỉa không đổi thì: F = 2.π.ri.h

18
Trên đoạn đường vô cùng nhỏ dr i với độ chênh áp dP, khi đó công thức (2.1)
được viết lại như sau:
Q=
(2.2)
Từ (2.2) ta lấy tích phân từ áp suất đáy (P d) đến áp suất vỉa (Pv) và từ bán kính
của giếng (rg) đến bán kính ảnh hưởng (R) ta có:
Pv

∫ dP

Pd

R

dri

= .∫ r
i
r
g

Từ đây ta thu được: Pv – Pd = .ln
(2.3)
Giả sử trong quá trình khai thác áp suất đáy giếng không đổi:
Pd = = const, → Pv = f ( ln )
Như vậy, đặc tính thay đổi áp suất ở mọi hướng bất kỳ xung quanh giếng, khi
dòng chảy ổn định sẽ có dạng đường cong logarit. Đường cong này cho biết rằng trong
quá trình khai thác thì xung quanh đáy giếng tạo nên phễu áp suất. Đường cong này có
dạng như hình 2.1.
Lưu lượng của giếng ở điều kiện chuẩn được tính theo công thức Điupi:
ln

Q=ϕ=

Rah
rg

Qk
1 − ϕ Rah
=
⇒C =
ln
Qh ln Rah + C
ϕ
rg
rg

(2.4)

Trong đó:
B0: là hệ số thể tích của dầu. Ở mỏ Bạch Hổ B0 = 1,3.
Nếu dòng chảy là chất khí thì công thức có dạng:
2.π .k .h.( Pv 2 − Pd 2 )
π .k .h.( Pv 2 − Pd 2 )
Q = 2.B .P .µ .ln R = B .P .µ .ln R
g 0
kh
g 0 kh
rg
rg

Trong đó:
B0: là hệ số thể tích của khí.
P0: là áp suất trung bình, P0 =

(2.5)

19

Hình 2.1 Phễu chênh áp xung quanh giếng
Các loại dòng chảy trong vỉa
Các loại dòng chảy trong vỉa được phân loại bời các tiêu chuẩn sau:
- Theo tính nén của các chất lưu: + Chất lưu nén được.
+ Chất lưu ít nén được.
+ Chấy lưu không nén được.
- Theo pha của chất lưu: Một pha, hai pha (dầu, khí), ba pha (dầu, khí, nước).
- Theo dạng hình học của vỉa: dòng chảy tuyến tính và hướng tâm.
- Theo thời gian: dòng chảy ổn định, chuyển tiếp và giả ổn định.
2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy của chất lỏng và khí từ vỉa vào đáy
giếng
a Sự không hoàn thiện của giếng
Các công thức (2.4), (2.5) chỉ đúng với các giếng đã hoàn thiện về mặt thủy
động lực nghĩa là giếng đã hoàn thành về đặc tính mở vỉa và mức độ mở vỉa, giếng
được mở trên toàn bộ chiều dày của vỉa sản phẩm và phẩn vỉa sản phẩm không chống
ống. Tuy nhiên, trên thực tế các giếng khai thác đếu không hoàn thiện về mặt thủy
động lực.

20

Hình 2.2 Các dạng mở vỉa của giếng
Giếng hoàn thiện (hình 2.2a).
Sự không hoàn thiện của giếng được chia làm 3 loại:
- Giếng không hoàn thiện về mức độ mở vỉa: là những giếng chỉ được mở trên
một phần của vỉa (hình 2.2c).
- Giếng không hoàn thiện về đặc tính mở vỉa: là những giếng được khoan trên
toàn bộ vỉa, chống ống và chất lỏng, khí sẽ chảy qua những lỗ đục trên ống chống.
(hình 2.2b).
- Giếng không hoàn thiện đặc tính mở vỉa và mức độ mở vỉa (hình 2.2,d).
Sự không hoàn thiện giếng tạo nên sự cản trở bổ sung tại vùng cận đáy giếng.
Do vậy, lưu lượng chất lỏng thực tế chảy từ vỉa vào đáy của những giếng này bao giờ
cũng nhở hơn lưu lượng lý thuyết.
Do đó lưu lượng thực tế của chất lỏng chảy vào giếng không hoàn thiện được
xác định theo công thức sau:
2.π .k .h.( Pv − Pd )
Qk = B .µ.(ln R + C )
0
rg

(2.6)

Trong đó:
C = C1 + C2 (Hệ số không hoàn thiện).
C1: Đại lượng đặc trưng cho sự không hoàn thiện về đặc tính mở vỉa.
C2: Đại lượng đặc trưng cho sự không hoàn thiện về mức độ mở vỉa.
Hệ số C phụ thuộc vào:
- Số lỗ bắn ở ống chống.
- Đường kính lỗ bắn.
- Đặc tính phân bố của các lỗ bắn trên bề mặt ống chống.

21
-

Độ sâu của những khe rãnh do đạn (mìn) tạo nên trong đất đá và độ sâu mở
vỉa…
Phương pháp xác định C: Hệ số C được xác định theo nhiều phương pháp khác
nhau, có ba phương pháp chính sau:
• Phương pháp xác định C theo hệ số hoàn thiện φ:
Hệ số không hoàn thiện φ là tỷ số giữa lưu lượng của giếng không hoàn thiện
với lưu lượng của giếng hoàn thiện.
ln

ϕ=

Rah
rg

Qk
1 − ϕ Rah
=
⇒C =
ln
Qh ln Rah + C
ϕ
rg
rg

(2.7)

• Phương pháp xác định C bằng thực nghiệm của B.I.Surop:
Ta biết C = C1 + C2
B.I.Surop xác định C1 và C2 theo phương pháp sau:
* Phương pháp xác định C1:
- Thực hiện trên giếng hoàn thiện về mức độ mở vỉa C2 = 0
- Giá trị C1 phụ thuộc vào các thông số sau:
+ n: số lỗ đục trên 1m ống chống.
+ D: đường kính giếng khoan.
+ a = (d: đường kính lỗ đục).
+ l = (l’ là chiều sâu của đầu đạn cắm vào đất đá vỉa).
- Sự phụ thuộc này được biểu diễn qua đồ thị:
+ Giá trị C1 trên trục tung.
+ Giá trị nD trên trục hoành.
- Cứ mỗi giá trị l ta về một đồ thị biểu diễn nhiều đường cong, mỗi đường cong
ững với một giá trị a nhất định.

22

Hình 2.3 Đồ thị xác định C1
* Phương pháp xác định C2:
- Thực hiện trên giếng hoàn thiện về đặc tính mở vỉa C1 = 0.
- Giá trị C2 phụ thuộc vào các thông số sau:
+ δ = % (b – chiều dài mở vỉa, h – chiều dài vỉa).
+ α = (D – đường kính giếng khoan).
-Mối quan hệ C2 = f(δ,α) được biểu diễn trên đồ thị. Giá trị C 2 được xác định
trên đồ thị sau:

23

Hình 2.4 Đồ thị xác định C2
Sau khi xác định được C1 và C2 bằng đồ thị ta có:
C = C1 + C 2
• Phương pháp xác định C theo bán kính quy đổi:
Người ta có thể chuyển đổi giếng khoan không hoàn thiện thành giếng khoan
hoàn thiện có đường kính vô cùng bé. Bán kính giả thiết này được gọi là bán kính quy
đổi. Khi đó ta có công thức:

Q

Qh =

2.π .k .h.( Pv − Pd )
R
B.µ.ln
rqd

Từ (2.6) và (2.8) cho bằng nhau ta có:

(2.8)

24
Qk = Qh
⇒ ln

R
R
+ C = ln
rg
rqd

R
r
R
R
⇒ C = ln
− ln = ln gd
R
rgd
rg
rg
⇒ C = ln

rg
rgd

b Mức độ nhiễm bẩn vùng cận đáy giếng
Hiệu ứng Skin :
Ngoài những hệ số không hoàn thiện của giếng theo đặc tính mở vỉa C1 và mức độ mở
vỉa C2, trạng thái của giếng còn bị ảnh hưởng do sự nhiễm bẩn của vùng lân cận đáy
giếng, tức là do có sự thay đổi độ thẩm thấu của vùng lân cận đáy giếng trong quá
trình khoan, bơm trám xi măng , sửa giếng và trong suốt quá trình khai thác dầu khí và
được đặc trưng bởi hệ số C3. Bên cạnh đó còn có hệ số C4 đặc trưng cho mức độ phá
hủy định luật thấm tuyến tính Darxi. Giá trị C4 khác với C1, C2, C3 ở chỗ là một hệ số
thay đổi theo lưu lượng giếng khai thác mà khi lưu lượng khai thác nhỏ thì C 4 có thể
bỏ qua, còn khi lưu lượng giếng lớn thì C4 đáng kể. C4 xuất hiện do lực ì và hướng
chuyển động của chất lỏng trong quá trình di chuyển từ vỉa vào giếng.
Do ảnh hưởng của tất cả các giá trị C 1, C2, C3, C4 làm cho quá trình chuyển
động của chất lỏng tại vùng lân cận đáy giếng bị cản trở. Các yếu tố làm thay đổi tính
chất tự nhiên của vỉa sản phẩm bao bọc xung quanh giếng làm thay đổi độ thấm tại
vùng này gây nên sự thay đổi đường cong áp suất tại vùng cận đáy giếng. Hiện tượng
này được gọi là hiệu ứng Skin.
Giá trị hiệu ứng Skin được xác định bằng tổng:
S = C1 + C2 + C3 + C4
Tùy thuộc vào trạng thái nhân tạo của vùng lân cận đáy giếng mà hiệu ứng Skin
S có giá trị âm, dương hoặc bằng không.
Điều quan trọng khi lựa chọn đối tượng xử lý vùng cận đáy giếng nhằm tăng
lưu lượng khai thác của nó là phải nghiên cứu, đánh giá hiệu ứng Skin vùng cận đáy
giếng:
Khi giếng bị nhiễm bẩn, công thức tính lưu lượng của giếng được tính theo các
công thức sau:
Q=

2.π .k .h.∆Ps
r
µ.lg s + S
rs

(2.9)

25

Q=

2.π .ks .h.∆Ps
r
µ.lg s
rs

(2.10)

Chia (2.9) cho (2.10) ta được giá trị S:
S = lg
(2.11)
Ở đây:
k: độ thẩm thấu của đất đá vùng lân cận đáy giếng khi không có hiệu ứng Skin.
kz: độ thẩm thấu của đất đá vùng lân cận đáy giếng khi có hiệu ứng Skin.
rs: bán kính vùng bị nhiễm bẩn.
∆Ps: độ chênh áp suất ở giữa điểm đầu và điểm cuối vùng bị nhiễm bẩn.
Từ (2.11) ta có thể nhận xét:
- Khi độ thấm của vỉa không bị thay đổi Ks = K thì S = 0, nghĩa là bảo toàn tính
tự nhiên của vùng cận đáy giếng.
- Khi Ks < K, S > 0, độ thấm của vùng cận đáy giếng giảm, vùng này bị nhiễm
bẩn.
- Khi Ks > K, S <0, vùng cận đáy giếng có độ thấm tốt hơn độ thấm ban đầu.
Thực tế, trường hợp xảy ra do đất đá nứt vỡ, tạo các khe nứt mới do tác động trong quá
trình xử lý vùng cận đáy giếng bằng phương pháp cơ học.
Các thành phần hiệu ứng Skin:
Hiệu ứng Skin bao gồm một số hiệu ứng làm thay đổi năng suất của giếng so
với năng suất của giếng được hoàn thiện tự nhiên, tức là giếng khoan lý tưởng (khoan
mở hết vỉa sản phẩm, phân thu sản phẩm không có ống chống, không bắn mở vỉa và
không làm nhiễm bẩn vùng cận đáy giếng). Tuy vậy giếng khoan trong thực tế thường
chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau:
- Mô hình đục lỗ ống chống.
- Mật độ bắn đầu đạn.
- Độ sâu thâm nhập vủa lỗ bắn mở vỉa.
- Trị số giảm độ thấm của vỉa tại vùng cận đáy giếng do nhiễm bẩn.
- Tác động của xử lý và kích thích giếng.
- Tác động của sự kết cấu ống chống.
- Tỷ số giữa khoảng bắn mở vỉa và tổng chiều dày của vỉa.
- Hiệu ứng do nghiêng ống chống.

Các biện pháp làm giảm hiệu ứng Skin:

26
Đối với một giếng khoan dầu khí trong quá trình khai thác thì hiệu ứng Skin có
ảnh hưởng quan trọng trực tiếp đến lưu lượng sản phẩm, sản lượng của giếng. Những
yếu tố làm tăng hệ số skin như sau:
+ Các loại dung dịch rửa, dung dịch đệm, vữa xi măng bơm trám dưới áp suất
cao.
+ Cấu trúc đáy giếng, mức độ mở vỉa, kích thước và mật độ lỗ bắn, mở vỉa.
+ Sự phá hủy cơ học của choòng khoan trong quá trình khoan. Ngoài những yếu
tố trên thì vùng cận đáy giếng cũng bị nhiễm bẩn do cặn bã chất lỏng, thành phần hạt
rắn cùng parafin dồn tắc làm giảm độ thấm đất đá vỉa. Theo thời gian và sản lượng
khai thác, mức độ nhiễm bẩn tăng dần. Ngoài ra trong quá trình khai thác vì lý do nào
đó, phải tiến hành dập giếng để sửa chữa thì dung dịch dập giếng sẽ xâm nhập vào vỉa
và gần như cách ly vỉa với đáy giếng.
Như vậy yếu tố Skin luôn có xu hướng tăng lên trong khi áp suất vỉa thì giảm
đi, làm cho sản lượng khai thác giảm đi đáng kể, thậm chí nhiều giếng không thể tự
phun cho dù có áp suất vỉa lớn đủ để khai thác tự phun do hiệu ứng Skin.
Do đó ta phải dùng các biện pháp tác động lên vùng đáy giếng và cận đáy giếng
đẻ làm giảm hệ số Skin, khôi phục độ thấm của vỉa. Tùy thuộc vào cấu trúc đáy giếng,
tính chất đá vỉa sản phẩm, áp suất vỉa hiện tại và trữ lượng dầu còn lại mà áp dụng các
biện pháp phù hợp.
Nếu vùng bị nhiễm bẩn có bán kính rs ta coi như vùng ảnh hưởng, từ công thức
tổng quát của Diupy thì mức độ chênh áp tại vùng trước và sau khi nhiễm bẩn là:
Q.µ.ln
∆P1 =

(2.12)

2.π .k .h
Q.µ.ln

∆P2 =

rs
rg
rs
+S
rg

(2.13)

2.π .k .h

Như vậy vùng cận đáy giếng bị nhiễm bẩn thì tạo nên độ chênh áp bổ sung:
∆P = ∆P1 − ∆P2 = S .Q.

µ
2.π .k .h

(2.14)

∆Ps là độ chênh lệch áp suất bổ sung để thắng lực cản do hiệu ứng skin gây ra.
Từ công thức (2.12) ta nhận thấy ∆P s và S tỉ lệ thuận với nhau, khi S tăng lên thì độ
thấm k giảm xuống, điều này đòi hỏi phải có một chênh áp lớn giữa vỉa và giếng để
tạo dòng cháy chất lưu từ vỉa vào giếng. Do đó, để gia tăng dòng chảy từ vỉa vào giếng
và tăng độ tiếp nhận của giếng bơm ép (giảm giá trị hệ số skin S, tăng hệ số thấm k s)

27
cần có các giải pháp công nghệ và kỹ thuật tác động lên vùng cận đáy giếng. Có thể sử
dụng các giải pháp kỹ thuật sau:
-Đối với giai đoạn mở vỉa sản phẩm: Thực hiện chế độ khoan hợp lý để tăng
vận tốc cơ học khoan (Vch), rút ngắn thời gian mở vỉa sản phẩm, hạn chế thời gain xâm
nhập của các vật chất không có lợi như mùn khoan, dung dịch khoan vào sâu trong vỉa
sản phẩm. Đồng thời sử dụng dung dịch khoan có chất lượng cao, bảo vệ tính tự nhiên
của vỉa sản phẩm.
- Đối với công nghệ hoàn thiện giếng: Lựa chọn kiểu hoàn thiện giếng phù hợp
với điều kiện địa chất, địa tầng của giếng. Lựa chọn giải pháp trám xi măng ống chống
và bắn mở vỉa bảo đảm hệ số hoàn thiện thủy động học của giếng đạt giá trị lớn nhất.
- Đối với công nghệ sửa chữa giếng: Khi giếng khai thác bị nhiễm bẩn làm
giảm lưu lượng khai thác. Người ta thường xử dụng các biện pháp xử lý vùng cận đáy
giếng như sau:
+ Phương pháp xử lý axit để phá vỡ sự liên kết của các phần từ lấp nhét các lỗ
hổng và khe nứt vỉa sản phẩm.
+ Phương pháp nứt rạn vỉa bằng thủy lực để tạo thêm các khe nứt mới nối liền
giữa vỉa và giếng khoan.
+ Rửa đáy giếng khoan để tăng chiều dài ống lọc, tức là tăng diện tích thấm của
dòng chất lưu từ vỉa vào giếng.
2.2 Dòng chảy của hỗn hợp dầu khí trong ống đứng và ống nghiêng
Việc nghiên cứu dòng chảy hỗn hợp nhiều pha trong ống khai thác chiếm tỷ lệ
đáng kể trong các quá trình nghiên cứu thuỷ động lực học giếng khoan cả về lý thuyết
và thực nghiệm.
Vấn đề nghiên cứu dòng chảy nhiều pha rất phức tạp cần phải am hiểu đầy đủ
quá trình chuyển động của nó dọc theo cột ống khai thác.
Nhìn chung dòng chảy của hỗn hợp lỏng khí trong quá trình khai thác là dòng
chảy của hỗn hợp khí hoà tan trong pha lỏng. Lượng khí hoà tan trong một đơn vị thể
tích pha lỏng phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ. Vì vậy trong quá trình chuyển động từ
đáy giếng đến miệng giếng, do nhiệt độ và áp suất thay đổi nên thể tích của khí tự do
và mật độ thể tích của pha lỏng luôn luôn thay đổi.
Trong công nghiệp dầu khí đã có nhiều tác giả đưa ra các phương pháp nghiên
cứu và được áp dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất như:
* Phương pháp của Poetman và Carpeuter.