CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHAI THÁC DẦU BẰNG GASLIFT

+ Cấu trúc 1 cột ống.

+ Cấu trúc 2 cột ống.

- Theo hướng đi của khí nén và dòng sản phẩm người ta chia ra hai chế độ

khai thác :

+ Chế độ vành khuyên.

+ Chế độ trung tâm.

- 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 ống khai thác sau :

+ Cấu trúc : chế độ vành khuyên 1 cột ống (hình 3.1.a)

+ Cấu trúc : chế độ vành khuyên 2 cột ống (hình 3.1.b)

+ Cấu trúc : chế độ trung tâm 1 cột ống (hình 3.1.c )

+ Cấu trúc : chế độ trung tâm 2 cột ống (hình 3.1.d )

SP



KN



Hình 3.1.a



∗



SP



KN



KN



Hình 3.1.b



SP



Hình 3.1.c



KN



SP



Hình 3.1.d



Hình 3.1. Các dạng cấu trúc cột ống khai thác gaslift

Trong thực tế, thường sử dụng cấu trúc chế độ vành khuyên 1 cột



ống. Tuỳ theo việc trang bị paker và van ngược trong hệ thống, mà chia ra 3

dạng cấu trúc cơ bản sau:

- Hệ thống ống khai thác dạng mở : (hình 3.2.a )

Đặc điểm :

+ Không trang bị paker và van 1 chiều.

34



+ Áp dụng khi Pd lớn hơn áp suất khí ép.

+ Áp dụng khi thực hiện phương pháp Gaslift liên tục.

- Hệ thống khi khai thác dạng bán đóng (hình 3.2.b )

Đặc điểm :

+ Trang bị paker, không trang bị van 1 chiều.

+ Áp dụng khi thực hiện phương pháp khai thác Gasilrt liên tục.

- Hệ thống ống khai thác dạng đóng (hình 3.2.c )

Đặc điểm :

+ Trang bị paker và van 1 chiều.

+ Áp dụng khi thực hiện phương pháp khai thác Gaslift định kỳ.



Pv



Hình a



Pv



Hình b



Hình c



Hình 3.2. Các dạng cấu trúc giếng khai thác bằng gaslift 1 cột ống

∗



Ưu nhược điểm của cấu trúc 1 cột ống :

- Cấu trúc 1 cột theo chế độ trung tâm :

+ Ưu điểm :

. Giảm áp suất khởi động PKd (so với chế độ vành khuyên).

. Đơn giản, gọn nhẹ, sử dụng triệt để cấu trúc của giếng.

35



+ Nhược điểm :

. Giảm độ bền của ống chống khai thác.

. Giảm độ bền của ống HKT (do vật cứng mài mòn đầu nối ống).

. Khó nâng cát và vật cứng ở đáy giếng lên mặt đất (do tiết diện KGVX

lớn).

. Khó xử lý khi có parafin lắng đọng.

. Áp suất đáy giếng Pd giảm đột ngột khi khởi động và ngừng nén khí.

- Cấu trúc 1 cột ống theo chế độ vành khuyên :

+ Ưu điểm :

. 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 (F nhỏ).

. Dễ xử lý khi có parafin lắng đọng.

. Thuận lợi khi trang bị van Gaslift khởi động.

+ Nhược điểm :

. Áp suất khởi động lớn (so với chế độ trung tâm)

. Áp suất đáy giếng Pd 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 đặt paker.

3.2. Tính toán đường kính và chiều dài cột ống khai thác cho giếng thiết kế.

3.2.1. 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 :

L=H−



10( Pd − Pde )

γ hh



(3.1)



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



36



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



Với :



(3.2.)

 de



2

(Qcl  43,2 D  cl cl



Q d (G0   Pde cl

 Q cl  43,2 D 2 cl

(Pde  1) cl



(3.3)

d 



(Qcl  43,2 D 2 cl cl

Qd (G0   Pde cl

 Qcl  43,2 D 2 cl

(Pd  1) d



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

ε = 10.



Với:



(3.4)



Pde − Pm

Lγ 1



(3.5)



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:



Rtp =



0,077 L(1 − ε )

P

d 0,5 ε lg de

Pm



(3.6)



Lưu lượng riêng của khí ép:

Roep = Rotp -





 Pde − Pm

G 0α 

2















(3.7)



Lưu lượng khí ép:

37



V = Roep.Q(m3/ng.đ)

G0: tỷ số khí của giếng



(3.8)

; α: Hệ số hoà tan của khí



3.2.2. 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



(3.9)



b.Xác định đường kính cột ống nâng (d).

Ta có: Rotp = Roep + Go



(3.10)



Nếu chúng ta biết R otp và L thì ta có thể xác định được P để theo đồ

thị sau:



Hình 3.3. 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



Qcl

1

3

3 (1 − ε )γ cl



(3.12)



Pde − Pm

ε = 10 Lγ cl



Lưu lượng khí ép:



(3.11)



(3.13)

V = Roep. Q (m3/ng.đ)



38



3.3. Phương pháp 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.

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 h 2

(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



39



Hình 3.4. 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:

- Xác định vị trí đặt van thứ nhất:

Áp suất bên ngoài van 1 là:

Png1 = ρ L g ( H 1 + 20 ) + Pm



Vậy chiều sâu đặt van sẽ được xác định là:

H1 =



Png1 − Pm



ρL g



− 20



(3.14)

- Xác định vị trí đặt van thứ hai:

P = ρ L g ( H 2 − H 1 + 20) + Ptlm

ng2



H 2 = H1 +



P2 − Ptlm

− 20

ρL g



(3.15)



- Xác định vị trí đặt van thứ n:

40



H n = H n −1 +



P ng 2 − Pt ( n −1) min



ρL g



− 20



(3.16)



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.

3.4. Phương pháp tính áp suất khởi động.

a. Tính toán áp suất khởi động đối với hệ vành xuyến hai cột ống.

Các đại lượng cần thiết khi xác định áp suất khởi động.

- Đường kính ống nâng: d1(mm)

- Đường kính ống bơm ép: d(mm)

- Đường kính ống chống khai thác: D(mm).

- Độ nhúng chìm của ống nâng: h(m).

- Độ dâng cao của mực chất lỏng trong ống nâng khí ép đến đế ống

nâng: ∆ h(m).

Khi ép khí vào khoảng không vành xuyến, cột chất lỏng trong khoảng

không vành xuyến bị ép đến đế cột ống nâng. Lúc đó mực chất lỏng trong

ống nâng sẽ dâng cao hơn mức thuỷ tĩnh một khoảng ∆ h. Khi đó ta có áp

suất khởi động là:

Pkđ = (h - ∆ h) ρ L.g

(3.17)

Thể tích chất lỏng bị ép xuống trong khoảng không vành xuyến giữa

ống nâng và ống bơm ép.

π 2

(

d 2 − d 12 ).h

V1 = 4

(3.18)

41



Và thể tích của chất lỏng dâng lên trong ống nâng và khoảng không

vành xuyến giữa ống chống và bơm ép.

π 2 π

2 

 4 d 1 + 4 ( D2 − d 1 )  ∆h

V2 =

(3.19)

Nếu chất lỏng không xâm nhập vào vỉa thì V1 = V2

π 2 π

π 2

2 

2

d

+

(

D

−

d

)

∆

h

=

d

−

d



.h

1

2

1

2

1

 4



4

4



∆h =



d 22 − d 12



(



d 12 + D 2 − d 22



)



h



⇒

Thay vào công thức trên ta có :

Pkđ = (h -



∆ h). ρ



L



.g =



[



d 22 − d 12

h= 2

h ]ρ L g

d 1 + D 2 − d 12



(



D2

h ] ρ L gh

2

2

2

D

−

d

−

d

2

1

=



)



(

)

⇒ Pkđ

(3.20)

Khi ép khí vào khoảng không vành xuyến mực chất lỏng trong khoảng

không vành xuyến hạ xuống một khoảng là (h) và mực chất lỏng trong ống

nâng dần lên một khoảng là ( ∆ h), (h+ ∆ h) có thể lớn hơn, nhỏ hơn hoặc

bằng chiều dài của cột ống nâng L



42



Hình 3.5. Sơ đồ tính toán áp suất khởi động hệ thống vành xuyến 2

cột ống

+ Nếu (h + ∆ h) > L thì chất lỏng trào ra khỏi giếng. Nghĩa là áp suất

khởi động sẽ tương ứng với áp suất chất lỏng trong ống nâng.

Pkđ = ρ L.gL (Pkđ = Pmax)

+ Nếu (h - ∆ h) > L thì :

D2

ρ L gh

2

2

2

D

−

d

−

d

2

1

Pkđ =



(



)



b. Tính toán áp suất khởi động đối với hệ vành xuyến một cột ống.

Tương tự ta có :

π 2

(

D − d 2 ).h

V1 = 4

(3.21)

π 2

d ∆h

V2 = 4

Nếu chất lỏng chưa xâm nhập vào vỉa ta có V1 = V2

π

π

(

D2 − d 2 ).h = d 2 ∆h

4

4

(3.22)

Vậy áp suất khởi động được tính theo công thức sau :

Pkđ = (h +



∆ h). ρ



+ Nếu h +



∆h



[



h+



D2 − d 2

d2



L.g =



> L thì Pkđ =



ρ



D2

h ] ρ L g 2 ρ L gh

d



(3.23)



.g



L



2



D

d 2 ρ L.gh



+ Nếu h + ∆ h ≥ L thì Pkđ =

c. Tính toán áp suất khởi động với hệ trung tâm một cột ống.

Tương tự trên ta có :

π

V1 = 4 d2h



(3.24)



π

(

D2 − d 2 ) ∆h

V2 = 4

(3.25)

d2

h

2

2

⇒ ∆h = D − d



Vậy áp suất khởi động được tính theo công thức sau :

43



∆ h). ρ



[



d2



D2

h+ 2

h ]ρ L g = 2

ρ L gh

D −d2

D −d2



Pkđ = (h +

(3.26)

L.g =

3.5. Các phương pháp làm giảm áp suất khởi động.

Việc khai thác dầu khí ở mỏ Bạch Hổ thường sử dụng cấu trúc một cột

ống chế độ vành xuyến, áp suất khởi động của cấu trúc một cột ống này

D2

ρ L gh

d2



được tính theo công thức :

Pkđ =

Do áp suất khởi động thường lớn hơn nên trong thực tế khai thác bằng

Gaslift gặp nhiều khó khăn hoặc không thể khởi động được giếng, đôi khi

khởi động giếng được nhưng không đạt hiệu quả kinh tế. Vì vậy cần phải

tiến hành giảm áp suất khởi động.

Vì D và d là cấu trúc đã có sẵn nên muốn giảm áp suất khởi động thì ta

phải tìm mọi cách giảm ρ và h.

a. Các phương pháp làm giảm h.

* Phương pháp ép chất lỏng vào vỉa:

Khí nén với một áp suất cực đại vào giếng sau đó đóng giếng lại cho

chất lỏng thấm vào vỉa (nhằm giảm h). Dưới tác dụng của áp suất khí nén thì

Pkđ > Pv nên chất lỏng thấm vào vỉa dẫn đến mực chất lỏng trong giếng giảm

xuống. Sau một thời gian ta mở van cho giếng làm việc bình thường thì P kđ

giảm. Phương pháp này sử dụng cho những giếng có độ thấm lớn.

* Phương pháp dung piston để múc bớt chất lỏng:

Dùng piston chuyên dụng múc bớt chất lỏng trong giếng nhằm mục

đích giảm chiều cao mực chất lỏng trong giếng. Sau đó mở van cho giếng

làm việc bình thường. Phương pháp này được sử dụng cho những giếng có

áp suất vỉa và hệ số sản phẩm nhỏ.

* Phương pháp thả ống nâng từng đợt :

Dùng piston chuyên dụng để múc bớt chất lỏng trong giếng nhằm mục

đích giảm chiều cao của cột chất lỏng trong giếng. Như vậy khi ta khởi động

giếng thì Pkđ sẽ nhỏ. Phương pháp này chỉ áp dụng cho những giếng có áp

suất vỉa nhỏ và hệ số sản phẩm nhỏ.

* Phương pháp dùng đầu nối có lỗ thủng (Mupta thải):

Thả ống nâng đến chiều cao thiết kế. Trên các đầu nối chuyên dụng có

các lỗ thủng (gần giống như van Gaslift). Phương pháp này có nhược điểm

là trong suốt quá trình làm việc khí ép luôn luôn đi qua lỗ thủng do vậy làm

tăng chi phí ép khí lên (vượt khoảng 10%). Để khắc phục trường hợp này

người ta sử dụng van Gaslift để thay thế các đầu nối chuyên dụng này.

* Phương pháp dùng van Gaslift :

Dùng van Gaslift để khởi động sẽ làm giảm được áp suất khởi động,

đồng thời giảm được chi phí áp trong quá trình làm việc. Bản chất của

phương pháp này là chia h ra thành nhiều đoạn h1, h2, … < h. Ở đây chúng ta

chọn phương pháp khởi động giếng thiết kế bằng cách đặt van Gaslift.

b. Các phương pháp làm giảm ρ :

44