Ứng dụng bơm điện chìm cho các tai 188bet khai thác thân dầu móng nứt nẻ mỏ Sử Tử Vàng

Tóm tắt

Phương pháp bơm ép khí gas lift ngoài vành xuyến thường được áp dụng để duy trì lưu lượng khai thác sau giai đoạn tự phun ban đầu của tai 188bet. Tuy nhiên, phương pháp này phụ thuộc vào công suất máy nén khí, nguồn khí, đặc điểm vật lý loại chất lưu khai thác (tỷ trọng, độ nhớt), áp suất vỉa. Trong đó, hiệu suất giảm đáng kể đối với các tai 188bet có độ nghiêng lớn hoặc khi hàm lượng nước khai thác tăng cao, áp suất vỉa suy giảm… Do vậy, một phương pháp khai thác thay thế hiệu quả hơn là bơm điện chìm (electrical submersible pump - ESP) đã được đưa vào nghiên cứu và áp dụng. Quá trình nghiên cứu áp dụng bơm điện chìm được thí điểm cho các tai 188bet khai thác thân dầu đá móng nứt nẻ mỏ Sư Tử Vàng thuộc bể Cửu Long. Mục đích của quá trình thử nghiệm là đánh giá hoạt động của bơm điện chìm và khả năng khai thác dầu bằng bơm điện chìm so với phương pháp gaslift cho các tai 188bet có hàm lượng nước khai thác cao. Kết quả thử nghiệm cho thấy phương pháp bơm điện chìm linh động hơn, khả năng khai thác với lưu lượng cao hơn so với phương pháp gaslift, làm giảm hàm lượng nước khai thác không chỉ của chính tai 188bet đó mà còn của các tai 188bet lân cận, ngoài ra giúp làm giảm áp suất (back pressure) trên toàn hệ thống tạo điều kiện cho các tai 188bet khác khai thác cao hơn, hệ thống nội mỏ ổn định hơn, tiết kiệm được một lượng khí gaslift để sử dụng cho những mục đích khác.

1. Giới thiệu

Thân dầu đá móng granite mỏ Sư Tử Vàng nằm ở bồn trũng Cửu Long thuộc thềm lục địa Nam Việt Nam. Mỏ được phát hiện vào năm 2001, dài 18km và rộng 4km (Hình 1), vùng chứa dầu nằm trong khoảng từ độ sâu 2.700m đến 4.000m.

Dầu có tỷ trọng API ± 36,5, tỷ số khí hòa tan trong dầu thấp 171scf/stb. Áp suất vỉa ban đầu 4.400psi tại 9.186,3 ftTVDss (2.800 mTVDss), nhiệt độ vỉa 302oF (150oC) và hàm lượng H2S thấp. Mỏ Sư Tử Vàng được đưa vào khai thác từ năm 2008. Đến nay đã có 14 tai 188bet (bao gồm 2 tai 188bet bơm ép) đang hoạt động. tai 188bet khai thác tự phun ở thời gian đầu, tuy nhiên chỉ sau 8 tháng khai thác nước đã xâm nhập vào vỉa. Hiện nay tất cả các tai 188bet đều có hàm lượng nước khai thác cao (Hình 2).

Hình 1. Bản đồ vị trí các tai 188bet trong mỏ Sư Tử Vàng

Hình 2. Tình trạng khai thác của các tai 188bet trong mỏ Sư Tử Vàng

Hiện tượng thường thấy ở các tai 188bet khai thác trong thân dầu móng nứt nẻ là khi có nước xâm nhập, hàm lượng nước sẽ tăng cao rất nhanh và tai 188bet ngừng tự phun sau một khoảng thời gian ngắn. Bơm ép khí gas lift ngoài ống khai thác là phương pháp khai thác hiệu quả, tiết kiệm và linh động để duy trì lưu lượng của tai 188bet trong giai đoạn đầu mà không cần nhiều chi phí bảo trì. Tuy nhiên, càng về sau, khi hàm lượng nước khai thác tăng cao và năng lượng vỉa giảm dần, phương pháp gas lift không thể duy trì khả năng khai thác của tai 188bet. Do đó cần phải tìm và áp dụng các phương pháp khai thác khác cho các tai 188bet có hàm lượng nước khai thác cao, giúp tăng khả năng khai thác và hệ số thu hồi dầu. Trong trường hợp này bơm điện chìm là một phương pháp triển vọng với khả năng thu hồi cao hơn phương pháp gas lift trong cùng một điều kiện vận hành. Trước khi đưa vào ứng dụng cho toàn mỏ, bơm điện chìm được thiết kế và lắp thử nghiệm cho các tai 188bet khai thác mỏ Sư Tử Vàng với mục tiêu:

- Đánh giá hoạt động của bơm điện chìm trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao;

- Đánh giá các điểm nổi trội của bơm điện chìm so với gas lift trong việc tối ưu hóa khai thác;

- Đánh giá kết quả nghiên cứu mô hình mô phỏng vỉa.

2. Các tiêu chí lựa chọn tai 188bet lắp bơm điện chìm

Các tai 188bet khai thăc được đánh giá dựa trên các tiêu trí trong bài báo “Offshore ESP Selection Criteria” SPE 146652 [1] (Bảng 1). Theo đó, ở tất cả các tiêu chí, các tính chất chất lưu của mỏ Sư Tử Vàng đều thuộc loại "lý tưởng" hoặc "chấp nhận được", chứng tỏ mỏ Sư Tử Vàng phù hợp để ứng dụng khai thác bằng bơm điện chìm.

Bảng 1. Các tiêu chí lựa chọn tai 188bet để ứng dụng bơm điện chìm

Khu vực Tây Nam của mỏ Sư Tử Vàng với 4 tai 188bet khai thác và 1 tai 188bet bơm ép được lựa chọn để thử nghiệm khai thác bằng bơm điện chìm. Năm tai 188bet trong khu vực này có mối liên hệ thủy động mạnh mẽ với nhau và tách biệt với các tai 188bet khác trong mỏ. Các tiêu chí chung cho việc lắp đặt bơm điện chìm ở các tai 188bet như sau:

- tai 188bet không có hiện tượng sa lắng cặn; tai 188bet có hàm lượng nước khai thác ổn định và hệ số khai thác cao; tai 188bet có quan hệ thủy động với các tai 188bet lân cận; tai 188bet có lượng dầu còn lại cao (remain reserve). Kết quả đánh giá tiềm năng ứng dụng bơm điện chìm cho các tai 188bet được trình bày trong Bảng 2.

Bảng 2. Kết quả đánh giá tiềm năng ứng dụng bơm điện chìm

2.1. Kết quả nghiên cứu trên mô hình mô phỏng vỉa

Kết quả mô hình đã khớp hóa lịch sử được sử dụng để đánh giá các trường hợp đặt bơm điện chìm khác nhau, đánh giá khả năng thu hồi của từng tai 188bet cho từng cấp khai thác và xem xét tai 188bet nào có thể được chuyển đổi từ gas lift sang bơm điện chìm. Với điều kiện khai thác được giữ nguyên như hiện tại, các tai 188bet được mô phỏng lắp đặt bơm điện chìm với lưu lượng lần lượt tăng 150% (trường hợp thấp); 200% (trường hợp trung bình) và 250% (trường hợp cao) so với khai thác bằng gas
lift thông thường nhưng tối đa không lớn hơn 12.000 thùng/ngày, áp suất đáy tai 188bet tối thiểu được duy trì lớn hơn áp suất bão hòa, các tai 188bet còn lại giữ nguyên gas lift. Kết quả mô phỏng được thể hiện ở Bảng 3.

Bảng 3. Kết quả chạy mô hình

Bảng 4. Kết quả chạy mô hình kinh tế

2.2. Kết quả chạy dự báo kinh tế

Dựa trên kết quả dự báo biểu đồ sản lượng từ mô hình khai thác (Bảng 3), mô hình kinh tế đã được chạy nhằm dự báohiệu quả kinh tế của dự án với các mức độ tin cậy khác nhau P90, P50 và P10 (Bảng 4). Trong đó chi phí đầu tư (capex) được tính cho thay bơm là 4,2 triệu USD/bơm trong trường hợp dùng HWU (hydrolic workover unit) và chi phí lắp thêm hệ thống xử lý nước khai thác (hydrocyclone) cho CPP là 2 triệu USD, chi phí vận hành và sửa chữa là 2,1 triệu USD/3 năm (giả sử cứ 3 năm/lần bơm phải kéo lên sửa) giá dầu được tính 60 USD/thùng và tăng 2% các năm tiếp theo, tỷ lệ chiết khấu (discount rate) là 10%. Kết quả mô hình kinh tế chưa tính đến lợi nhuận mang lại do không cần dùng khí nâng của các tai 188bet lắp đặt bơm điện chìm được dùng cho các tai 188bet khác chưa được lắp bơm hay xuất bán.

Dựa trên kết quả tính toán từ mô hình kinh tế và tình hình thiết bị thực tế, phương án 3 gồm 3 tai 188bet STV-AP, STV-BP và STV-FP được đề nghị lắp đặt thử hệ thống bơm điện chìm [2].

3. Thiết kế bơm điện chìm

Các lưu ý khi thiết kế bơm điện chìm: Áp suất đáy tai 188bet phải luôn lớn hơn áp suất bão hòa (1.100psi); bơm phải hoạt động ổn định ở lưu lượng khai thác từ 4.000 đến 16.000 thùng/ngày; ngoài lắp đặt bơm điện chìm, gas lift cũng cần được lắp đặt song song để dự phòng; cần phải có đồng hồ đo áp suất để theo dõi tai 188bet liên tục.

Nhà cung cấp bơm sử dụng phần mềm mô phỏng ESP để thiết kế một hệ thống bơm tương thích với các điều kiện hoạt động khác nhau và đánh giá các tham số chưa chắc chắn của vỉa. Bản thiết kế tai 188bet với hệ thống gas lift cũ và hẹ thống ESP-Gaslift mới được thể hiện ở Hình 3. Phần thiết bị lòng tai 188bet phía trên sẽ được kéo lên, thay bằng hệ thống ESP-Gas lift mới [3].

Hình 3. tai 188bet với hệ thống gaslift cũ và hệ thống ESP-Gaslift mới

3.1. Đánh giá hoạt động bơm điện chìm

Quá trình thử nghiệm khai thác bằng bơm điện chìm mỏ Sư Tử Vàng trải qua 2 giai đoạn. Giai đoạn 1 bắt đầu vào tháng 9/2013 với 3 tai 188bet được lắp bơm điện chìm, trong đó 2 tai 188bet ngừng hoạt động sau lần lượt 45 và 50 ngày. Cả 2 bơm điện chìm được kéo lên để tìm nguyên nhân gây hỏng và được thay thế bằng một hệ thống bơm mới tốt hơn [4].

Tham số tiêu biểu để đánh giá hoạt động của bơm điện chìm chính là thời gian hoạt động. Thời gian hoạt động được tính là số ngày trung bình bơm điện chìm có thể hoạt động ổn định.

Ở giai đoạn 1, thời gian hoạt động của bơm điện chìm khá ngắn, kết quả điều tra sẽ được tóm tắt ở phần tiếp theo. Ở giai đoạn 2, một bơm điện chìm đã hỏng sau 82 ngày, bờm điện chìm còn lại vẫn hoạt động tốt

3.2. Phân tích nguyên nhân hỏng của bơm điện chìm

Cả 2 bơm điện chìm bị hỏng ở giai đoạn 1 đều có nguyên nhân nằm trong phần "Thiết kế và lựa chọn bơm. Do dầu điện môi cách điện sử dụng trong mô tơ (motor) và bảo vệ (protector) được thiết kế chỉ hoạt động ổn định ở nhiệt độ dưới 180oC (360oF), nhưng khi khai thác ở lưu lượng cao, dầu và nước ở những khe nứt sâu được khai thác làm tăng cao nhiệt độ tai 188bet (ngoài dự đoán). Đồng hồ đo nhiệt độ và áp suất ở đáy tai 188bet ghi nhận rằng motor của bơm điện chìm đã hoạt động ở  nhiệt độ khoảng 170 - 180oC. Dầu điện môi bị nung quá nóng và mất khả năng bôi trơn, dẫn đến vòng bi của motor bị phá vỡ gây hỏng bơm.

4. So sánh hoạt động của bơm điện chìm và gas lift

tai 188bet STV-AP: Ở giai đoạn 1, bơm điện chìm của tai 188bet STV-AP hoạt động trong 50 ngày. Ở giai đoạn 2, bơm điện chìm hoạt động lâu hơn trong 82 ngày. Hình 4 thể hiện động thái khai thác của tai 188bet STV-AP. Lưu lượng khai thác tăng từ 4.000 đến 11.000 thùng/ngày. Tỷ lệ nước giảm nhẹ, lưu lượng dầu tăng 300 thùng/ngày ở giai đoạn 1 và 700 thùng/ngày ở giai đoạn 2 so với phương pháp gas lift [5].

tai 188bet STV-BP: Bơm điện chìm ở tai 188bet STV-BP có thời gian hoạt động lâu nhất, 330 ngày, giúp tăng lưu lượng lên đến 11.500 thùng/ngày (175 thùng dầu/ngày), hàm lượng nước khai thác giảm hơn so với khi khai thác bằng gas lift (Hình 5).

Bảng 5. Tóm tắt thời gian hoạt động của bơm điện chìm

Hình 4. Động thái khai thác của tai 188bet STV-AP

Hình 5. Động thái khai thác của tai 188bet STV-BP

tai 188bet STV-FP: Ở giai đoạn 1, bơm điện chìm của tai 188bet STV-FP hoạt động được 45 ngày. Bơm điện chìm ở giai đoạn 2 vẫn còn hoạt động (222 ngày tính đến cuối tháng 3/2015). Tuy nhiên, hệ thống đồng hồ đo nhiệt độ và áp suất đáy đã hỏng sau 111 ngày. Trong quá trình khai thác, tai 188bet STV-FP có nhiều động thái khai thác phức tạp như giao thoa mạnh với tai 188bet STV-DP, scale tích tụ trong tai 188bet, packer hở và giéng bị ảnh hưởng bởi nước bơm ép. Ở giai đoạn 1, lưu lượng dầu tăng cao là tổng hợp kết quả của việc đóng tai 188bet lâu ngày và việc lắp bơm mang lại, việc đánh giá hoạt động của bơm điện chìm giai đoạn này gặp nhiều khó khăn. Ở giai đoạn 2, ảnh hưởng của bơm điện chìm được thể hiện rõ với lưu lượng khai thác tăng cao (Hình 6).

Hình 6. Động thái khai thác của tai 188bet STV-FP

Bảng 6. So sánh kết quả khai thác bằng phương pháp bơm điện chìm với gaslift

 (*) Lượng dầu tăng sau khi đóng tai 188bet 2 tháng, sửa packer hở và loại bỏ scale tích tụ

Tóm lại, đối với các tai 188bet khai thác thân dầu móng nứt nẻ, phương pháp bơm điện chìm cho tổng lưu lượng khai thác cao hơn phương pháp gas lift, từ 2 - 3 lần ở tai 188bet STV-AP và tai 188bet STV-FP và 1,5 lần ở tai 188bet STV-BP. Lưu lượng tăng nhờ bơm điện chìm đồng nghĩa với việc dầu được khai thác từ các nứt nẻ có hệ số khai thác thấp hoặc các nứt nẻ nhỏ, từ đó giảm tỷ lệ nước khai thác. Kết quả so sánh lưu lượng khai thác, lưu lượng dầu và tỷ lệ nước giữa 2 phương pháp bơm điện chìm và gaslift được thể hiện ở Bảng 6.

Ngoài ra, lưu lượng tăng từ các tai 188bet lắp bơm điện chìm còn ảnh hưởng trực tiếp đến các tai 188bet lân cận. Trong trường hợp mỏ Sư Tử Vàng, sự ảnh hưởng được đánh giá là tích cực. Có thể thấy, ở 2 giai đoạn, tỷ lệ nước ở tai 188bet STV-DP (tai 188bet không được lắp bơm điện chìm) giảm khi tai 188bet STV-AP, STV-FP khai thác với lưu lượng cao (Hình 7) có thể do các tai 188bet STV-DP và STV-FP; STV-AP có chung nguồn nước kề áp, vì vậy khi tai 188bet STV-FP; STV-AP khai thác

Hình 7. Động thái khai thác của tai 188bet STV-DP

Hình 8. Hiệu quả khai thác bằng bơm điện chìm so với gas lift

Như vậy việc lắp bơm điện chìm cho các tai 188bet khai thác trong thân dầu móng nứt nẻ khi đã bị nước xâm nhập với hàm lượng cao, khi khai thác bằng gas lift không còn hiệu quả, không chỉ giúp nâng cao sản lượng khai thác cho bản thân tai 188bet được lắp mà còn tác động tích cực đến các tai 188bet lân cận giúp nâng cao sản lượng của cả mỏ (Hình 8).

5. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc lắp bơm điện chìm là phù hợp và mang lại lợi ích kinh tế cho các tai 188bet khai thác trong thân dầu móng với chỉ số khai thác cao khi hàm lượng nước xâm nhập lớn, tuy nhiên việc lắp bơm điện chìm cũng gây ra một số tác động không mong muốn cần xử lý như lưu lượng nước khai thác tăng đột ngột gây quá tải cho hệ thống xử lý nước ngoài giàn, việc khai thác lưu lượng cao từ các tai 188bet lắp bơm điện chìm có thể gây sụt giảm sản lượng các tai 188bet lân cận... Ngoài ra, lắp bơm điện chìm cũng gây khó khăn nhất định trong công tác đo khảo sát tai 188bet định kỳ, gây quá tải hệ thống cung cấp điện ngoài giàn.

6. Kết luận

Dựa trên kết quả nghiên cứu có thể rút ra một số kết luận sau:

- Phương pháp bơm điện chìm cho phép khai thác với lưu lượng khai thác cao hơn phương pháp gas lift;

- Lưu lượng khai thác cao làm hạn chế các dòng chảy chéo giữa các tai 188bet trong thân dầu đá móng nứt nẻ và trong một vài trường hợp, bơm điện chìm làm tăng hệ số khai thác của tai 188bet do dầu được khai thác từ hệ thống khe nứt có độ thấm thấp (các nứt nẻ nhỏ);

- Lưu lượng khai thác cao từ các tai 188bet lắp bơm điện chìm gây ảnh hưởng đến lưu lượng khai thác các tai 188bet lân cận. Ở mỏ Sư Tử Vàng, bơm điện chìm giúp giảm tỷ lệ nước của các tai 188bet lân cận;

- Việc lắp đặt bơm điện chìm cho các tai 188bet khai thác bằng gas lift sẽ làm giảm áp suất (back pressure) trên hệ thống do vậy giúp gia tăng lưu lượng khai thác cho các tai 188bet;

- Việc dùng bơm điện chìm sẽ tiết kiệm được một lượng khí gas lift có thể được dùng bơm ép cho các tai 188bet khác hay xuất bán cùng khí đồng hành.

Nhìn chung, bơm điện chìm cho kết quả khả quan khi áp dụng cho các tai 188bet thân dầu móng nứt nẻ, đặc biệt là ở giai đoạn khi nước đã xâm nhập và hệ thống gas lift không thể tiếp tục giúp duy trì lưu lượng khai thác. Mặc dù hoạt động của bơm điện chìm bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, các thiết kế bơm điện chìm về sau đã được cải tiến để có thể hoạt động ổn định trong môi trường nhiệt độ cao.

Lời cám ơn

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh (VNU HCM) trong khuôn khổ đề tài mã số B2015-20-06.

Chúng tôi xin trân trọng cảm ơn các tác giả đề tài B2015-20-06 VNU HCM hỗ trợ chúng tôi thực hiện công trình này.

Tài liệu tham khảo

1. Michael C.Romer et al. Offshore ESP selection criteria: An industry study. SPE Paper 146652, SPE Deepwater Drilling and Completions Conference, Galveston, Texas, USA. 20 - 21 June 2012.

2. Báo cáo nội bộ CLJOC. Kết quả nghiên cứu ứng  dụng bơm ESP cho các tai 188bet SVN. HCM. 2015.

3. Báo cáo nội bộ CLJOC. Kết quả đánh giá ứng dụng bơm ESP cho các tai 188bet SV. HCM. 2015.

4. Báo cáo hội nghị ESP. Tiềm năng áp dụng ESP cho các tai 188bet STĐ CLJOC. Đà Nẵng. 2014.

5. Báo cáo nội bộ CLJOC. Kết quả đánh giá ứng dụng bơm ESP cho các tai 188bet SD/SV. HCM. 2014.