Tóm tắt

Trong những năm gần đây, hoạt động thượng nguồn dầu khí đã có những sáng tạo kỹ thuật có giá trị ứng dụng lớn dựa trên ý tưởng áp dụng kết hợp các phát minh về trí tuệ nhân tạo (artificial-intelligence - AI) vào công nghệ thăm dò - khai thác. Hiện nay, các phương pháp dựa trên AI đã trở thành một khuynh hướng công nghệ quan trọng với những nguyên lý khoa học đã được công nhận và sử dụng trong sản xuất. Giá trị lớn nhất của công nghệ này là làm gia tăng các dữ liệu địa chất - địa vật lý có sẵn, giúp bổ sung nhiều thông tin hữu ích để giảm thiểu rủi ro và đẩy nhanh tốc độ quyết định đầu tư khi các nhà quản lý chưa có đủ căn cứ khoa học cho những đề án dự định triển khai. Bài báo này giới thiệu một số kết quả nghiên cứu khoan và hoàn thiện giếng ở Malaysia đã công bố trên Tạp chí Oil and Gas trong tháng 12/2016, từ đó đề xuất một số định hướng nghiên cứu phương pháp luận có thể tiến hành để ứng dụng tại Việt Nam.

Từ khóa: Trí tuệ nhân tạo, hoàn thiện giếng ngang thông minh, đối tượng chứa dầu dạng vành mỏng.

Khoan và hoàn thiện giếng ngang- thông minh trong các đối tượng chứa dầu mỏng ở Malaysia

Các vỉa chứa có tầng nước đáy và/hoặc mũ khí, trong đó khoảng chứa dầu tương đối mỏng, có hình vành nên được gọi là đối tượng chứa dầu dạng vành mỏng (thin-oil-rim reservoirs - TORR). Loại hình này thường gặp dưới dạng những nêm nằm giữa mũ khí và phần chứa nước đáy, có cấu trúc phức tạp do các đứt gãy và biên dẫn dòng dầu gây ra, thể hiện bằng những mặt nghiêng và các phần chuyển tiếp trong đá trầm tích giữa 2 cấu trúc lồi hoặc 2 nếp uốn lồi có dạng yên ngựa đa dạng. Bề dày  các lớp cát ở đây có thể bị xếp chồnglên nhau và chia cắt thành nhiều khoảng. Lớp nước vỉa ở đáy tầng dầu có thể thay đổi từ đoạn chứa này sang đoạn chứa khác, dẫn đến suy giảm áp suất không đều và thay đổi mặt tiếp xúc dầu - nước cũng như độ nhớt của dầu theo từng vị trí địa lý (Hình 1).

Trước đây phần lớn hoạt động phát triển mỏ ở các đối tượng chứa dầu dạng vành mỏng chủ yếu thực hiện khoan nhiều giếng  thẳng  đứng hoặc độ nghiêng nhỏ và các giếng được hoàn thiện với các cột ống chống/ống khai thác đa cấp nhằm khai thác riêng biệt theo từng khoảng trong khu vực mỏ, nơi chứa các ụ cát với áp suất chênh lệch lớn.

Các giếng khai thác thường sẽ bắn mở vỉa ở đoạn phía trên của thân dầu để tránh nước đáy xâm nhập dưới dạng nón nước (water coning) vào phần chứa dầu. Trong trường hợp bắn mở vỉa phía dưới cách xa mặt tiếp xúc giữa khí và dầu để tránh khai thác khí từ mũ khí thì dòng khí xâm nhập vào phần dầu dưới dạng nón khí (gas coning). Vì chỉ bắn mở vỉa từng đoạn như vậy nên để khai thác với lưu lượng lớn cần có chênh áp cao, hệ quả là càng dễ tạo ra nón nước đẩy từ dưới lên hoặc nón khí từ phía trên khoảng bắn vỉa xâm nhập vào vỉa dầu. Do đó, các vỉa dầu mỏng thường có lượng nước xâm nhập cao hoặc có khí xâm nhập GOR (tỷ số khí/ dầu) cao, làm cho đời giếng khai thác rút ngắn vì các giếng chỉ cắt qua một phần của đối tượng chứa sản phẩm tại điểm giảm áp đáy giếng. Theo chiến lượng phát triển mỏ như trên, tổng số giếng phải ngừng khai thác tăng rất nhanh. Hiện nay, số lượng các giếng cho sản phẩm trong một số đối tượng chứa dầu dạng viền rất ít, chỉ chiếm dưới 50% tổng số giếng khai thác. Mức thu hồi dầu của mỏ luôn thấp cả khi được khai thác qua 25 năm liên tục.

Hình 1. Bản đồ bão hòa chất lưu của phân bố cát trong một lớp chứa dầu dạng vành rộng lớn ở Malaysia. Lớp cát bao gồm các bẫy địa tầng và bẫy cấu tạo bất đồng nhất, chứa hơn 800 triệu thùng dầu tiêu chuẩn tại chỗ, trải rộng trong hơn 7 khoảng, với 5 mũ khí riêng biệt, nằm trên tầng chứa nước khu vực rất lớn.

Cân bằng lực trong TORR

Trong đối tượng TORR tồn tại rất nhiều cơ chế dẫn động dòng dầu chủ yếu như nở mũ khí (gas-cap expansion), dẫn động hay truyền động tự nhiên (drive), giảm độ nhớt của dầu (withdrawal) và cân bằng trọng lực (gravity balance) bên cạnh cơ chế truyền động do khí hòa tan (solution-gas-expansion drive). Việc bơm khí khai thác trở lại mỏ, điều khiển giảm áp trong giếng trên từng khoảng vỉa chứa dựa trên sự thay đổi cường độ nước vỉa và góc nghiêng của lớp cát cũng như việc chọn vị  trí đặt giếng, khoảng cách giữa các giếng, cách thức hoàn thiện giếng đều có thể tác động đến tính cân bằng của các cơ chế dẫn động nói trên. Vai trò của cân bằng lực là giữ cho vị trí viền dầu không thay đổi trong nhiều năm với độ suy giảm áp suất tối thiểu ngay cả khi chất lưu chảy trong vỉa chứa (Hình 2).

Ngay cả khi các đối tượng chứa dầu dạng vành có tầng chứa nước khổng lồ nằm dưới thì sức đỡ  của đáy nước vẫn có thể không thích hợp trong một số khoảng của vỉa chứa dầu, ví dụ trường hợp một số vành dầu ở Malaysia quan sát thấy áp suất giảm rất lớn. Trường hợp  này  cũng có thể nên bơm nước và khí vào mỏ cho toàn mỏ hoặc bơm chọn lọc cho từng khu vực của mỏ nhằm duy trì sự cân bằng cán cân lực dẫn động giúp giữ cho vỉa dầu ít  di  động  nhất  và cải thiện thu hồi dầu. Chiến lược và phương pháp bơm có thể tiến hành bao gồm bơm ép từ rìa mỏ hoặc theo mạng lưới, bơm đẩy nước từ đáy lên hoặc bơm khí ép từ trên xuống.

Vị trí đặt giếng và dạng giếng khai thác

Nhiều TORR ở biển đang sử dụng loại giếng thẳng đứng hoặc độ nghiêng nhỏ để giếng tiếp xúc các đoạn vỉa mỏng. Hình 3 cho thấy ví dụ độ xuyên qua của giếng khai thác trong một tầng chứa tập trung nhiều vỉa dầu mỏng. Vị trí đặt mạng lưới giếng chủ yếu dựa trên bản đồ bão hòa dầu động được vẽ từ một mô hình động phù hợp với dữ liệu lịch sử. Đối với tầng chứa dạng vành có nhiều vỉa, phức tạp, công tác hoàn thiện giếng kép được tiến hành nhằm khai thác dầu đồng thời từ nhiều lớp cát có áp suất và phân bố không đồng đều. Cách tiếp cận truyền thống này cần tới một số lượng giếng khai thác lớn - 297 cột ống khai thác (Hình 3) đòi hỏi phải có một lượng lớn các giàn khoan biển cùng nhiều thiết bị phụ trợ đi kèm nên giá thành thùng dầu khai thác càng tăng. Các giếng thẳng đứng vì tiếp cận với phần vỉa chứa dầu bị giới hạn nên năng suất khai thác thấp và đòi hỏi mức giảm áp lớn (500 - 1.000psi). Những giếng này có nguy cơ nhanh đạt tới thời điểm lượng nước xâm nhập cao hoặc khí xâm nhập GOR cao, tương ứng với mũ nước ở dưới và mũ khí ở trên xâm nhập vào. Năng lượng tầng chứa bị huy động rất nhanh, giếng hoạt động trong thời gian ngắn nên hiện nay chỉ còn 15 ống khai thác hoạt động. Ngoài ra các giếng thẳng đứng có mức độ thu gom dầu ít vì khu vực gom dầu nhỏ. Số lượng các túi dầu sót (bypass) lớn trong tầng chứa vẫn còn lại đáng kể ngay cả khi khoảng cách giữa các giếng khai thác khá ngắn. Sau 25 năm khai thác, lượng dầu thu hồi là nhỏ, chỉ ở mức khoảng 35% trữ lượng thu hồi ước tính ban đầu. Hiện nay, công nghệ thông minh, kết hợp công nghệ mô hình sử dụng trí tuệ nhân tạo với công nghệ khoan ngang hay khoan góc nghiêng lớn đã mang lại kết quả cao hơn.

Giếng ngang thông minh

Hình 2. Cân bằng lực dẫn động tinh tế/tới hạn trong TORR cần thiết để giữ viền dầu tại chỗ ban đầu

Gần đây, các giếng ngang khai thác loại mỏ TORR ở Malaysia đều được hoàn thiện với các thiết bị kiểm soát dòng (inflow-control device - ICD), đặt cách nhau 10m. Chất lượng chức năng của ICD được kiểm tra theo kết quả đo carota PLT (prodution-logging tool). Tại  giếng A trong mỏ nói trên, 157 thiết bị ICD được gắn trên chiều dài 1.590m của lòng giếng. Tổng dòng vào tích lũy có dạng gần tuyến tính, đồng thời phân bố giảm áp dọc theo quỹ   đạo giếng  nhìn  chung  không  chứa các bất đồng nhất. Giếng A cho lưu  lượng 1.243 thùng dầu/ngày và 217ft3 khí tiêu chuẩn/thùng dầu. Ở đoạn uốn giữa phần thẳng đứng và phần nằm ngang của giếng, lượng nước trong dầu chiếm đến 71% nhưng ở phần nằm ngang gần như không có nước trong dầu. Đối với giếng này còn hoàn thiện giếng với màn chắn cát dạng standalone với nút ngăn (pake) tự giãn nở. Pake bị hở tại đáy lớp dầu có thể là nguyên nhân lượng lớn nước xâm nhập dầu. Chức năng của ICD còn được khẳng định khi tiến hành kiểm tra kết quả đo đạc PTL đối với giếng B, trên chiều dài 1.820m lỗ khoan có gắn 182 thiết bị ICD và dòng dầu phun đạt 2.737 thùng dầu/ngày cùng tỷ số khí/ dầu bằng 187ft3 khí tiêu chuẩn/thùng dầu. Tại điểm mở vỉa ở phần trên của lớp dầu, lượng nước trong dầu chiếm 13% ở đoạn nằm ngang. Phân bố dòng vào cũng gần tuyến tính, đặc biệt ở nửa đầu của lỗ khoan gần đáy lớp dầu. Điều đó cho thấy lượng nước xâm nhập vào dầu ở đây thấp. Thiết kế ICD như trên trong lỗ khoan ngang là thích hợp để bảo đảm lượng dầu khai thác trong lớp mỏng đạt tối ưu. Với những thành công của giếng khoan ngang thông  minh  đã đạt được sau quá trình thử nghiệm, mỏ đang tăng dần số lượng giếng khai thác theo từng đợt khoan, từ 22 giếng thông minh lên 33 giếng và gần đây là 41 giếng cho sản lượng cao (Hình 3).

Giá trị của hoàn thiện giếng thông minh

Việc hoàn thiện giếng thông minh (smart completion) làm tăng giá thành giếng khoan. Tuy nhiên, giá trị tạo ra cũng tăng lên, nhất là lượng dầu gom lớn và hệ số thu hồi dầu cao. Để nâng cao hiệu quả giếng thông minh  đòi hỏi phải có nhiều nỗ lực về kỹ thuật. Một phương pháp được ghi nhận là kết hợp mô hình giếng nhiều  đoạn  với mạng lưới dày FGMSW (fine-grid multisegmented-well)   với   mô   hình FGDS (fine-grid dynamic sector/ khu vực động lực học mạng lưới dày). Phương pháp này có thể giúp thu nhận được nhiều thông tin về tính bất đồng nhất của môi trường khai thác, miêu tả một cách tin cậy các tính chất của hỗn hợp chất lưu và gradient áp suất cũng như xây dựng mô hình phân bố giảm áp chính xác cao hơn so với các phương pháp khác, nhất là cho phần đáy của giếng. Theo phương pháp này, một nghiên cứu để xác định giá trị của phương thức hoàn thiện giếng thông minh đã được  tiến hành cho một mỏ  loại  TORR tại Sabah, Malaysia. Các giếng ở mỏ này được hoàn thiện với ống khai thác 5,5 inch và các thiết bị ICD đặt cách nhau 11m. Các cửa ICD và kích thước cửa được thiết kế nhằm tối ưu hóa phân bố giảm áp và cực tiểu hóa hiệu ứng ăn mòn của dòng dầu phun cho chế độ khai thác theo chu kỳ và thay đổi điều kiện tầng chứa. Mô hình FGMW kết hợp với mô hình động lực học phù hợp với khớp lịch sử (history-matched dynamic model) được dùng để đánh giá công suất khai thác của giếng ngang có hoặc không gắn thiết bị ICD và hoạt động của giếng. Nếu xét từng giếng, phụ thuộc vào chất lượng tầng chứa và điều kiện môi trường chứa cho thấy mức độ thu hồi dầu khi có gắn thiết bị ICD có thể tăng đến 16%. Còn khi xét ở mức độ toàn mỏ thì mức gia tăng đó có thể tăng 6%.

Hình 3. Vị trí đặt giếng khai thác theo cách truyền thống dựa trên độ bão hòa dầu động khi dùng giếng thẳng đứng hoặc độ nghiêng nhỏ để cắt qua các lớp cát chứa dầu mỏng của TORR.

Tối ưu hóa độ gom dầu của giếng ngang

Khả năng gom dầu của giếng ngang phụ thuộc vào độ giảm áp trong giếng và thay đổi giảm áp dọc theo chiều dài lòng giếng. Yêu cầu của công tác thiết kế hoàn thiện giếng với thiết bị ICD là tìm đến phương thức tối ưu hóa phân bố chênh áp dọc theo chiều dài lòng giếng ngang. Do đó, độ gom dầu và thu hồi dầu phụ thuộc chủ yếu vào mức độ tiếp xúc của lòng giếng với phần chứa dầu và chiều dài khoảng nằm ngang của giếng. Trong các TORR, vị trí đặt giếng giữa mặt tiếp xúc khí/dầu và mặt tiếp xúc dầu/ nước có thể được tối ưu hóa để làm chậm quá trình khí và/hoặc nước xâm nhập vào dầu (Hình 4).

Cùng với đó, mức chênh áp giếng ngang có thể giữ được ở mức thấp, thông thường khoảng 100psi hoặc ít hơn. Do vậy, mặc dù lượng   dòng vào là lớn nhưng đường kính khu vực gom dầu của giếng ngang có thể nhỏ, nên việc tối thiểu hóa khoảng cách giữa các giếng cần phải xác định hợp lý. Để tăng thêm độ thu hồi dầu trong mỏ, cần thiết phải khoan thêm các giếng phụ trong từng khu vực cụ thể của mỏ khi đủ điều kiện.

Để tăng lực động của nước đáy ở TORR, đồng thời giữ ổn định mặt tiếp xúc khí/dầu, việc tối ưu hóa khoảng cách giếng phụ thuộc vào bề dày của vành dầu và tỷ số giữa thành phần độ thấm ngang và độ thấm dọc của đá chứa. Với khoảng cách giếng tối ưu, hệ số thu  hồi  dầu phụ thuộc vào chất lượng cát (độ thấm) và điểm cuối độ thấm tương đối (relative permeability endpoints) - điểm mà tại đó độ thấm tương đối thay đổi. Với lớp chứa dầu đẳng hướng, dày 15m, có độ thấm ngang và độ thấm dọc bằng nhau, khoảng cách tối ưu về lý thuyết có thể là 15m và hệ số thu hồi dầu cực đại tương ứng đạt khoảng 45%.

Một mỏ được hoàn thiện với 41 giếng ngang và khoảng cách giếng 200m, có gắn ICD, hệ số thu hồi dầu dự báo bằng 27%. Điều đó cho thấy muốn tăng hệ số thu hồi dầu ở TORR vẫn còn nhiều việc phải thực hiện. Chiều dài giếng khoan ngang tiếp tục được tối ưu hóa thông qua đánh giá theo một hướng về sự thay đổi lưu lượng dòng vào trên từng đoạn bằng cách sử dụng mô hình MSW. Điều này có thể được tối ưu hóa tốt nhất bằng cách đánh giá giá trị hiện tại mới nhất của công suất dòng dầu theo chiều dài giếng ngang.

Hoàn thiện giếng ngang thông minh với ống khai thác kép

Hoàn thiện giếng ngang thông minh được tiến hành dựa trên cơ sở gom dầu theo khu vực mục tiêu mà lỗ khoan đã khoan qua. Hình 4 trình bày lỗ khoan ngang nối đến hai phía của khu vực yên ngựa. Theo  cách  khác, có thể khoan hai giếng thay vì một giếng hoặc khoan giếng đa nhánh.  Ưu điểm của hoàn thiện giếng bằng ống khai thác kép là tiếp cận được hai điểm gom dầu đồng thời thay vì tiếp cận một điểm như lỗ khoan  ngang với ống khai thác đơn. Hoàn thiện với ống khai thác kép cải tiến đã được triển khai để gom các trữ lượng dầu nằm ở 2 phía tách biệt của mỏ. Mỗi ống trong 2 ống khai thác dài 800m đều được gắn thiết bị ICD. Mô phỏng mô hình động lực và lỗ khoan kép trước hết cho thấy hoàn thiện với ống khai thác kép không gắn ICD có thể khai thác được nhiều dầu hơn nếu không gắn điều kiện biên. Tuy nhiên, những khu vực có dòng lớn có thể vẫn phải lắp ống co thắt (choke) hoặc van điều tiết có chọn lọc để khống chế tốc độ dòng chảy, giảm thiểu rủi ro ăn mòn và bảo đảm khai thác theo chu kỳ trong đời mỏ. Mô hình nghiên cứu cũng cho thấy hoàn thiện giếng ICD tối ưu hóa cung cấp khả năng điều tiết có chọn lọc để giảm thiểu  rủi ro đáng kể. Tính khả thi của việc bổ sung các van kiểm soát dòng công hiệu đã được nghiên cứu để điều tiết dòng khí/nước xâm nhập quá mức trong quá trình khai thác  theo  chu kỳ. Tuy nhiên, cách tiếp cận này chưa được chấp nhận vì làm giảm giá trị của giếng ngang thông   minh.

Hình 4. Giếng ngang nhằm khai thác từ các phía và khu vực yên ngựa trong TORR

Hình 5. Giếng (A1) hoàn thiện thông minh với ống khai thác kép cho sản lượng khai thác ban đầu ổn định. Công suất và khuynh hướng diễn biến dòng dầu giống nhau ở cả hai ống khai thác ngắn (A1S) và dài (A1L).

Hai giếng khoan ngang tại mỏ này đã được hoàn thiện theo thiết kế ống khai thác kép hoặc lỗ khoan có ICD. Hình 5 trình bày hoạt động ổn định trong 4 tháng sau khi bắt đầu khai thác. Cả ống khai thác ngắn A1 Oil - tổng sản lượng của giếng.
 
(A1S oil) và dài (A1L oil) đều cho sản phẩm có cùng công suất dầu và cùng khuynh hướng. Cho đến nay chưa thấy lượng nước trong dầu tăng, tỷ số khí/dầu tăng nhẹ, gần bằng với tỷ lệ khí hòa tan/đồng hành trong dầu, nhất là ống khai thác dài.

Nhận xét về khả năng áp dụng giếng ngang thông minh ở Việt Nam

Công nghệ cao luôn được coi là nhân tố quyết định chính trong sự thành công của mọi hoạt động kinh tế- kỹ thuật. Đặc biệt đối với ngành dầu khí, để thích nghi với giai đoạn giá dầu thấp có xu hướng kéo dài nhiều năm, nhu cầu hạ giá thành sản xuất thùng dầu để đứng vững trên thị trường là rất cấp thiết đối với tất cả các công ty dầu khí trên thế giới và điều này dựa chủ yếu vào chất lượng công nghệ sử dụng trong cả thời gian tạo chuỗi giá trị của ngành.
Trong thời gian qua, khi dấu hiệu khủng hoảng giá dầu bắt đầu xuất hiện trên thị trường, các tổ chức dầu khí đều đưa nhiệm vụ nghiên cứu khoa học, phát triển, ứng dụng công nghệ cao vào mục tiêu hàng đầu trong chiến lược hoạt động của mình vì đây là đầu tư cho tương lai, ít tốn kém, ngăn chặn hoặc giảm thiểu nạn chảy chất xám ra khỏi ngành và phù hợp nhất với tình trạng tài chính khan hiếm. Trí tuệ nhân tạo được dùng trong công nghệ thông minh ở nhiều lĩnh vực khác nhau là một thành tựu xuất sắc của khoa học hiện đại nên việc ứng dụng vào dầu khí là điều tất yếu.

Về địa chất, ở Việt Nam phần lớn là mỏ nhỏ thuộc loại vành mỏng, bị chia cắt bởi các hệ thống đứt gãy đủ loại như thấy trên lát cắt ở Malaysia (Hình 4), tồn tại ở hầu hết các bể trầm tích chứa dầu khí. Vì thế cần xem xét kinh nghiệm của Malaysia, Bắc Mỹ (mỏ Kern River), Qatar, Venezuela (vành dầu Orinoco) trong việc nghiên cứu đối tượng TORR.

Trong phạm vi bài báo được trích dẫn trên đây, việc áp dụng công nghệ giếng ngang thông minh, về mặt kỹ thuật có hai khâu kết nối liên hoàn, tạo thành chu kỳ lặp đi lặp lại trong suốt quá trình khai thác mỏ.

Khâu đầu gồm xử lý và tổng hợp tất cả mọi dữ liệu lịch sử về địa vật    lý,  địa chất, địa hóa, cơ học đá,   công nghệ khoan khai thác... có sẵn tại một thời điểm xác định của một chu trình khai thác để có thể thu được một lát cắt cấu trúc vùng mỏ tương đối đầy đủ/chính xác. Từ các thông tin thu được, các nhà địa vật lý - địa chất khai thác xây dựng các mô hình động lực học mỏ tương thích với số liệu lịch sử của chu trình nghiên cứu và xây dựng bản đồ bão hòa dầu/khí có khả năng di động trong vùng mỏ, làm cơ sở cho công tác ở khâu tiếp theo. Trí tuệ nhân tạo ứng dụng trong khâu này không được trình bày trong bài nhưng có thể tập hợp theo các công bố trên các tạp chí kỹ thuật dầu khí. Nhân lực tham gia công tác này phải được đào tạo chuyên sâu, đạt trình độ chuyên gia để có đủ khả năng hợp tác với các chuyên gia nước ngoài và nhận chuyển giao công nghệ từ các đối tác hoạt động ở Việt Nam.

Khâu tiếp theo là xác định vị trí đặt giếng, thiết kế giếng khoan ngang thông minh và triển khai thực hiện trên thực địa dựa trên kết quả đánh giá hiệu quả kinh tế của đề án. Khi điều kiện kinh tế - kỹ thuật mỏ trong quá trình khai thác thay đổi không còn phù hợp với thiết kế cũ thì bắt đầu lặp lại chu trình nói trên với một công nghệ cao hơn (kết quả của công tác nghiên cứu khoa học, cải tiến công nghệ) cho một chu kỳ khai thác mới đến khi kết thúc đời mỏ. Như vậy, quá trình nghiên cứu khoa học và sản xuất kết nối với nhau liên tục và chặt chẽ cả trong ngắn hạn và dài hạn.

Tài liệu tham khảo

1. John Hudson. Intelligent fields technology. Journal of petroleum technology. May 2015: p. 102 - 107.