Tải bản đầy đủ
CHƯƠNG 4 LÝ THUYẾT KHAI THÁC DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP GASLIFT

CHƯƠNG 4 LÝ THUYẾT KHAI THÁC DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP GASLIFT

Tải bản đầy đủ

47

Hình 4.1 Nguyên lý hoạt động của phương pháp khai thác Gaslift
- Khi chưa bơm khí nén vào khoảng không vành xuyến giữa HKT và ống chống
khai thác thì mực chất lỏng bên trong và bên ngoài ống bằng nhau.
- Bơm khí nén vào ống bơm ép là cho chất lỏng trong ống bơm ép di chuyển
xuống đế ống nâng. Khi mực chất lỏng đến đế ống nâng, áp suất nén khí đạt giá trị cực
đại, áp suất tại thời điểm này gọi là áp suất khởi động (P kđ). Khí nén tiếp tục đi vào ống
nâng, hoà trộn với chất lỏng, làm cho tỷ trọng cột chất lỏng trong ống nâng giảm, dẫn
đến Pđ giảm nên chênh áp ∆ P tăng do chất lỏng đi từ vỉa vào đáy giếng và đi lên
miệng giếng.
4.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của phương pháp Gaslift
+ Lưu lượng khí nén : Để khai thác có hiệu quả ta phải đảm bảo đủ khí nén theo
yêu cầu. Lưu lượng này được tính bằng tổng lưu lượng khí nén được bơm vào tất cả
các giếng trong vùng khai thác. Khai thác sẽ đạt hiệu quả khi khí bơm ép đạt được lưu
lượng tối ưu.
+ Cấu trúc ống khai thác: Để khai thác ổn định, kích thước ống khai thác là một
yếu tố quan trọng khi thiết kế. Kích thước của ống khai thác quá nhỏ sẽ gây ra tổn thất
ma sát. Tuy nhiên nếu quá lớn sẽ làm cho dòng chảy mất ổn định. Để thiết kế được

48
ống khai thác tối ưu cho dòng chảy hai pha trong giếng thẳng đứng cần phải có dữ liệu
chính xác.
+ Tính chất của dòng chảy khai thác: Độ nhớt, độ ngậm nước, độ ngậm dầu, sức
căng trượt.
+ Áp suất khí nén, chiều sâu nhúng chìm: Áp suất khí nén quá thấp sẽ không
khai thác được lưu lượng mong muốn. Nếu chiều sâu nhúng chìm quá lớn thì áp suất
khởi động cũng rất lớn và ngược lại khí nén sẽ không nâng được dầu lên mặt đất.
+ Chất lượng khí nén: thông thường trước khi bơm khí vào giếng người ta phải
xử lý chúng, bởi các tạp chất lẫn trong khí. Hiệu quả của hệ thống khai thác bằng
Gaslift phụ thuộc vào áp suất cao của khí có sẵn.
+ Máy nén khí : máy nén khí được lựa chọn phù hợp với giá trị áp suất, khả
năng áp dụng, công suất, môi trường hoạt động và nguồn kinh phí.
+ Ngoài ra hiệu quả của phương pháp khai thác bằng Gaslift còn phụ thuộc vào
hệ số sản phẩm, lượng khí tách ra khỏi dầu và áp suất trên nhánh xả.
4.2 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc hệ thống ống khai thác bằng gaslift
.4.2.1 Các loại sơ đồ cấu trúc cơ bản
Nhằm mục đích khai thác dầu bằng khí nén, phụ thuộc vào từng điều kiện khai
thác cụ thể của từng giếng mà người ta thiết kế các cấu trúc ống khác nhau về số lượng
cột thả vào giếng cũng như các hướng của dòng sản phẩm và dòng khí nén. Các cấu
trúc cột ống được phân loại như sau:
+ Theo hướng của dòng khí nén và dòng sản phẩm được phân ra hai chế độ khai
thác: chế độ vành xuyến và chế độ trung tâm.
+ Theo số lượng cột ống thả vào giếng người ta chia ra: cấu trúc một cột ống và
cấu trúc hai cột ống.
+ Theo số lượng cột ống thả vào giếng và hướng đi của khí nén và dòng sản
phẩm ta có 4 cấu trúc hệ thống khai thác sau:
Cấu trúc: Chế độ vành xuyến 1 cột ống (hình-4.2a).
Cấu trúc: Chế độ vành xuyến 2 cột ống (hình-4.2b).
Cấu trúc: Chế độ trung tâm 1 cột ống (hình-4.2c).
Cấu trúc: Chế độ trung tâm 2 cột ống (hình-4.2d).

49

Hình 4.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống khai thác bằng Gaslift
4.2.2 Giếng khai thác Gaslift theo chế độ vành xuyến
* Cấu trúc một cột ống: cột ống thả vào giếng chính là cột ống khai thác, còn
cột ống chống khai thác sẽ là cột ống bơm ép. Khí nén được bơm ép vào vùng vành
xuyến giữa cột ống khai thác và cột ống chống khai thác. Như vậy mực chất lỏng khi
giếng làm việc sẽ nằm ngay tại đáy ống.
+ Ưu điểm cấu trúc một cột ống theo chế độ vành xuyến:
- Đơn giản, gọn nhẹ, sử dụng triệt để cấu trúc của giếng.
- Tăng độ bền của ống khai thác.
- Dễ nâng cát và vật cứng ở đáy giếng lên mặt đất.
- Dễ xử lý khi có parafin lắng đọng.
- Thuận lợi khi trang bị van Galift khởi động.
+ Nhược điểm :
- Áp suất khởi động lớn (so với chế độ trung tâm).
- Áp suất đáy giếng giảm đột ngột khi khởi động và ngừng nén khí làm hư hỏng
vùng cận đáy giếng và tạo nút cát lấp ống lọc. Để khắc phục nhược điểm này người ta
lắp van Gaslift khởi động và lắp đặt Paker.
* Cấu trúc hai cột ống: 2 cột ống khai thác thả lồng vào nhau, khí được ép vào
vùng không gian vành xuyến giữa hai cột ống, còn hỗn hợp sản phẩm khai thác đi lên

50
theo ống nằm bên trong. Như thế cột ống ngoài được gọi là cột ống bơm ép (cột ống
thứ nhất), còn cột ống bên trong được gọi là cột ống khai thác (cột ống thứ hai).
+ Ưu điểm của cấu trúc hai cột ống:
- Chế độ khai thác với dao động áp suất làm việc ít (vì thế vùng khoảng không
vành xuyến giữa hai cột ống nhỏ hơn so với cấu trúc một cột ống).
- Cột ống chất lỏng ở vùng khoảng không vành xuyến giữa cột ống thứ nhất và
cột ống khai thác có tác dụng điều hoà chế độ làm việc của giếng.
+ Nhược điểm: kết cấu phức tạp, chi phí tốn kém, mất nhiều thời gian khi kéo
thả cột ống.
4.2.3 Giếng khai thác Gaslift theo chế độ trung tâm
Khí nén được bơm ép vào cột ống khai thác, còn dòng hỗn hợp sản phẩm khai
thác theo vùng vành xuyến đi lên bề mặt đến hệ thống thu gom và xử lý.
+Ưu điểm:
- Giảm được áp suất khởi động.
- Đơn giản gọn nhẹ sử dụng triệt để cấu trúc của giếng.
+ Nhược điểm:
- Giảm độ bền của ống chống khai thác.
- Giảm độ bền của ống khai thác (do vật cứng mài mòn đầu nối giữa các cột
ống khai thác hay ăn mòn kim loại).
- Giảm đường kính cột ống chống khai thác do parafin hay muối lắng đọng trên
thành ống.
- Khó xử lý khi parafin lắng đọng.
- Áp suất đáy giếng giảm đột ngột khi khởi động và ngừng nén khí.
Trên cơ sở các ưu nhược điểm kể trên trong thực tế thường sử dụng chế độ cột
ống vành xuyến một cột ống. Tuỳ theo việc trang bị paker và van ngược trong hệ
thống mà chia ra 3 trạng thái cấu trúc cơ bản sau :
+ Hệ thống khai thác dạng mở (hình 4.3a): Không trang bị paker và van một
chiều, áp suất khởi động lớn hơn áp suất khí nén, áp dụng khi khai thác bằng phương
pháp Gasilft liên tục.

51
+ Hệ thống ống khai thác dạng bán đóng (Hình 4.3c): Trang bị paker không
trang bị van một chiều, áp dụng khi khai thác bằng Gaslift định kỳ.

a-Dạng mở

b-Dạng đóng

c-Dạng bán đóng

Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc vành xuyến một cột ống
4.2.4 Lựa chọn hệ thống ống nâng cho giếng thiết kế
Trên cơ sở phân tích các đặc điểm và ưu nhược điểm của các kiểu cấu trúc hệ
thống ống nâng ta chọn cho giếng thiết kế kiểu cấu trúc một cột ống khai thác theo chế
độ vành xuyến vì những lý do sau đây:
+ Vỉa sản phẩm được cấu tạo bởi đất đá tương đối bền vững: sét, bột, cát kết xen
kẽ các lớp đá vôi mỏng và sét vôi, nên ít khi gây ảnh hưởng cho ống chống khai thác.
+ Giếng có chiều sâu trung bình nên có thể áp dụng các điều kiện kỹ thuật hiện đại
để trang bị cũng như điều khiển quá trình khai thác giảm áp suất ở mức yêu cầu, đảm
bảo cát chảy vào giếng không tạo thành nút cát. Mặt khác có thể khắc phục được các
nhược điểm của cấu trúc một cột ống khai thác bằng cách sử dụng van gaslift và đặt
paker.
+ Sử dụng cẩu trúc một cột ống còn mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với cấu
trúc hai cột ống.
+ Rất tiện lợi khi sử dụng van gaslift để giảm áp suất khởi động.
4.3 Tính toán cột ống nâng
Khi khai thác bằng khí nén nguồn năng lượng cần thiết để nâng chất lỏng từ
giếng là nguồn năng lượng con người cung cấp từ mặt đất (năng lượng khí nén).

52
Nhiệm vụ của tính toán khai thác Gaslift là đảm bảo chi phí năng lượng nhỏ nhất, khai
thác được lượng sản phẩm lớn nhất từ vỉa.
Để thu được khối lượng chất lỏng cần thiết cần phải tính toán và xác định được:
+ Độ dài cột ống nâng: L (m).
+ Đường kính của ống nâng: d (mm).
+ Khối lượng tối ưu của nhân tố làm việc để ép khí xuống.
Những số liệu ban đầu cần thiết để phục vụ cho công tác tính toán đối với
giếng:
+ Áp suất vỉa: Pv (at).
+ Hệ số sản phẩm: K (T/ng.đ.at).
+ Chênh áp cho phép: ∆ P (at).
+ Lưu lượng lớn nhất có thể: Q (T/ng.đ).
+ Trọng lượng riêng của chất lỏng trong giếng: λ l (g/cm3).
+ Yếu tố khí: G0 (m3/T).
+ Hệ số hoà tan của khí: α .
+ Áp suất làm việc của trạm phân phối khí: Plv (at).
+ Trọng lượng riêng của dầu: γ d (g/cm3).
Thực tế định luật chuyển động của chất lỏng theo cột ống nâng ở giếng Gaslift
cũng như giếng khai thác tự phun. Vì vậy các phương pháp tính toán để xác định các
thông số cơ bản của cột ống nâng trong khai thác bằng phương pháp Gaslift cũng
tương tự như tính toán của cột ống nâng trong quá trình tự phun.
Ở điều kiện thực tế khi khai thác không khống chế lưu lượng hoặc do một số
nguyên nhân về địa chất và kỹ thuật mà phải khống chế lưu lượng nên các phương
pháp tính toán cho mỗi trường hợp cũng khác nhau.
Đối với những giếng khai thác không khống chế được lưu lượng thì lượng khai
thác sẽ phụ thuộc vào lưu lượng khí ép cho phép.
4.3.1 Tính toán cột ống nâng khi khống chế lưu lượng khai thác
a Xác định chiều dài cột ống nâng L(m)
Chiều dài cột ống nâng được xác định theo công thức Krulov :

53

L=H−

10( Pd − Pde )
γ hh

(4.1)

Trong đó :
H: Chiều sâu của giếng (m).
Pd: Áp suất đáy giếng (at).
Pđế : Áp suất ở đế cột ống nâng, nhận sự tiêu hao áp suất trong quá trình chuyển
đông của khí từ máy nén khí đến cột ống nâng là 4 at nên:
Pđê = Plv – 4
γ hh : Trọng lượng riêng trung bình của hỗn hợp dầu khí giữa đáy giếng và đế cột

ống nâng:

γ hh =

γ d + γ de
2

γ de

Với :

(4.2.)

(Q

)

+ 43,2 D 2 γ cl γ cl
=
Q d ( G 0 − α Pde ) γ cl
+ Qcl + 43,2 D 2 γ cl
( Pde + 1) γ cl
cl

(Q

)

+ 43,2 D 2 γ cl γ cl
γd =
Qd ( G0 − αPde ) γ cl
+ Qcl + 43,2 D 2 γ cl
( Pd + 1)γ d
cl

(4.3)

Qcl = Qd = Q = K. ∆ P = K ; γ cl = γ d .
Q : Lưu lượng khai thác.
b Xác định đường kính cột ống nâng khi làm việc ở chế độ tối ưu

d tu = 0,235

Qcl
1
3
ε (1 − ε )γ cl

Với:

ε = 10.

Pde − Pm
Lγ 1

(4.4)

(4.5)

Sau khi tính toán chọn giá trị d gần với giá trị đường kính chuẩn nhất.
Lưu lượng riêng toàn phần tối ưu của khí (kể cả khí có lẫn trong giếng) được
xác định theo công thức:

54
0,077 L(1 − ε )
Rtp = d 0,5 ε lg Pde
Pm

(4.6)

Lưu lượng riêng của khí ép:


 Pde − Pm
2


Roep = Rotp - G 0α 






(4.7)

Lưu lượng khí ép:
V = Roep.Q(m3/ng.đ)

(4.8)

G0: tỷ số khí của giếng
α: Hệ số hoà tan của khí
4.3.2 Tính toán cột ống nâng khi không khống chế lưu lượng khai thác
Ngoài các số liệu đã biết ở trên trong trường hợp này còn có các số liệu sau:
- Độ dầy của vỉa: a(m).
- Lưu lượng riêng của khí ép: Rcep (m3/T).
a Xác định chiều dài cột ống nâng (L)
Để thu được lưu lượng lớn thì áp suất trên đáy phải nhỏ. Ta thả cột ống nâng đến
phần lọc của giếng, tại đó Pđ = Pđế.
Do vậy chiều dài cột ống nâng là : Lon = H – a

(4.9)

b Xác định đường kính cột ống nâng (d)
Ta có: Rotp = Roep + Go

(4.10)

Nếu chúng ta biết Rotp và L thì ta có thể xác định được Pđể theo đồ thị sau:

55

Hình 4.4 Đồ thị xác định Pđế theo L và Rtối ưu
Khi đó lưu lượng khai thác sẽ là:
Q = K . ∆P = K(Pv – Pđ) (m3/ng.đ)
dtưa = 0,235
ε = 10

Qcl
1
3
3 (1 − ε )γ cl

Pde − Pm
Lγ cl

Lưu lượng khí ép:

(4.11)
(4.12)
(4.13)

V = Roep. Q (m3/ng.đ)

4.4 Nguyên lý tính toán chiều sâu đặt van gaslift
Hiện nay có rất nhiều phương pháp xác định độ sâu đặt van Gaslift, tuỳ thuộc
vào những ưu nhược điểm của từng phương pháp và đặc điểm vùng mỏ mà ta có thể
sử dụng phương pháp nào đơn giản và nhanh chóng nhất.
Trong đồ án chỉ đề cập đến 2 phương pháp được sử dụng rộng rãi và phổ biến
nhất đó là phương pháp giải tích và phương pháp dùng đồ thị Camco.
Trước hết ta hãy tìm hiểu phương pháp tính toán độ sâu đặt van Gaslift theo
phương pháp giải tích.
Khi bơm khí vào ống bơm ép, chất lỏng ở ống bơm ép đi ra ngoài qua ống
nâng. Mực chất lỏng trong ống bơm ép dừng lại ở chiều sâu h 1(ứng với công suất lớn
nhất của máy nén khí). Để khí nén đi vào ống nâng một cách dễ dàng người ta lắp van
Gaslift số 1 ở độ sâu H1.

56
Khi lắp van Gaslift số 1 (đang mở) khí nén đi vào ống nâng qua van số 1 trộn
với chất lỏng trong ống nâng làm cho tỷ trọng cột chất lỏng từ van 1 đến miệng giếng
giảm, tại thời điểm này áp suất ở đế ống nâng giảm dẫn đến mực chất lỏng trong ống
bơm ép tiếp tục giảm và dừng lại ở độ sâu h2 (ứng với công suất lớn nhất của máy nén
khí).
Cũng như trường hợp trên để khí nén đi vào ống nâng một cách dễ dàng người
ta lắp van Gaslift số 2 ở độ sâu H2.
H2 = h2 - 20m

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên tắc tính toán chiều sâu đặt van
Khi lắp van Gaslift số 2 khí nén đi vào ống nâng qua cả van 1 và 2 làm cho áp
suất bên ngoài Png giảm nhanh. Sự chênh áp suất tại van 1(∆ P1 = Png1- Ptr1) giảm. Khi ∆
P1 đạt đến một giá trị nhất định (gọi là áp suất đóng van) thì van 1 đóng lại.
Quá trình trên lặp lại với van 3, 4 cho tới khi mực chất lỏng đạt đến van làm
việc. Cuối cùng chỉ có van làm việc mở còn các van khởi động đều đóng lại.
* Công thức xác định chiều sâu đặt van Gaslift như sau:

57
- Xác định vị trí đặt van thứ nhất:
Png1 = ρ L g ( H 1 + 20 ) + Pm
H1 =

Png1 − Pm

ρL g

− 20

(4.14)
- Xác định vị trí đặt van thứ hai:
Png2 = ρ L g ( H 2 − H 1 + 20) + Ptlm
H 2 = H1 +

P2 − Ptlm
− 20
ρL g

(4.15)

- Xác định vị trí đặt van thứ n:
H n = H n −1 +

P ng 2 − Pt ( n −1) min

ρLg

− 20

(4.16)

Trong đó:
Pm: Áp suất miệng giếng khi khởi động.
Ptlm: Áp suất cột chất lỏng trong ống nâng từ van 1 đến miệng giếng.
P (n-1)min : Áp suất cột chất lỏng trong ống nâng tạo ra tại độ sâu đặt van thứ n-1
khi khí nén đạt đến độ sâu của van khởi động thứ n.
Pngn : Áp suất khí nén tại ống nâng tại độ sâu đặt van Gaslift
Trong thực tế: Png1 – Png2 = … = PMNK
ρLg(H2 – H1 + 20) : Áp suất cột chất lỏng từ van 1 đến van 2, đến van n trong
các công thức trên là khoảng cách (m) cần thiết để tạo được chênh áp suất khi khí chảy
vào van và khi khí hoá cột hỗn hợp sản phẩm khai thác trên van. Giá trị này có thể
thay đổi tuỳ thuộc vào từng điều kiện khai thác cụ thể.
Song song với phương pháp pháp thiết kế dựa vào các công thức giải tích còn
có phương pháp thiết kế bằng đồ thị trên hệ trục toạ độ “áp suất P – độ sâu H” được sử
dụng rất rộng rãi và tiện lợi. Gọi là phương pháp đồ thị Camco. Phương pháp này sẽ
được trình bày vào thiết kế giếng một cách tỷ mỉ ở chương tiếp theo.