Chẩn đoán và giảm thiểu áp suất giữa các cột ống chống tại các giếng dầu khí mỏ Bạch Hổ

Ts. Trần Lê Đông, Ts.Nguyễn Thúc Kháng, Ts. Nguyễn Hữu Chinh, Ks. Trần Tấn
Xí nghiệp Liên doanh Vietsovpetro

(Ảnh minh họa)

1. Tình hình áp suất GOC của Vietsopetro

Tính đến hết tháng 2/2007 quỹ giếng của Vietsovpetro là 277, số giếng có áp suất giữa các cột ống chống là 129 (chiếm 46,57%). Trong đó, 196 là giếng khai thác, số giếng khai thác có áp suất GOC là 109 (55,6%). Để đảm bảo an toàn trong quá trình khai thác giếng khoan Vietsovpetro đã đưa ra tiêu chí giới hạn áp suất GOC cho phép để kiểm soát như sau:

Giới hạn cho phép tối đa của áp suất GOC trong không gian vành xuyến giữa hai cột ống chống bằng 60% giá trị áp suất ép thử độ kín của cột ống chống bên ngoài. Tuy nhiên, trong quá trình khai thác có một số giếng khoan có giá trị áp suất GOC vượt quá giá trị an toàn được nêu ở trên, [2].

Để đảm bảo an toàn cho quỹ giếng, từ năm 2004 Vietsovpetro đã tiến hành chương trình khảo sát dự báo - chẩn đoán áp suất GOC nhằm phân loại quỹ giếng của Vietsovpetro, theo mức độ nguy hiểm đối với áp suất giữa các cột ống chống và đề xuất phương án xử lý.

Phương pháp thực hiện: Nghiên cứu thủy khí động lực học các không gian vành xuyến có áp suất GOC (xả áp suất GOC, đo lượng khí và lưu chất, nghiên cứu đặc điểm khôi phục áp suất GOC, tốc độ dòng khí xâm nhập...); phân tích mẫu khí; tính toán giá trị áp suất GOC cho phép đối với mỗi cột ống chống và so sánh với giá trị thực tế. Một số nhận xét:

- Lưu lượng khí không lớn: Phân loại thuộc nhóm 1 và 2, không có nhóm 3.

- Thể tích khí: Chủ yếu là nhóm 1 và 2, nhóm 3 có 14/76 giếng.

- Dạng đường cong khôi phục áp suất: Không có dạng 1 - loại có năng lượng lớn và tốc độ nhanh, dạng 2 (có 4/76) tốc độ khôi phục nhanh tuy nhiên năng lượng không lớn lắm, chủ yếu là các dạng 3 và 4 - là các loại khôi phục chậm có năng lượng không lớn.

- Phát hiện ra một số giếng khoan có áp suất GOC là tạm thời, sau khi xả thì không khôi phục lại nữa.

Như vậy: Mức độ nguy hiểm hiện nay không cao. Tính phức tạp và sự biến động trạng thái GOC vẫn tăng lên.

2. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu xử lý áp suất giữa các cột ống chống

Nghiên cứu xử lý áp suất GOC là tìm các giải pháp hữu hiệu nhằm triệt tiêu hoặc giảm bớt mức độ nguy hiểm của GOC tại các giếng cụ thể.

Đối với XNLD hiện nay, áp suất GOC có mức độ nguy hiểm không cao, nên một số ý kiến cho rằng không cần phải xử lý vì vẫn đảm bảo sự an toàn cho quá trình khai thác dầu. Điều này là hoàn toàn đúng nếu khẳng định chắc chắn rằng tình trạng áp suất GOC không có biến động đáng kể, luôn luôn giữ vững ổn định như hiện nay.

Tuy nhiên, thực tế cho thấy tính phức tạp và sự biến động trạng thái áp suất GOC không hề giảm trong các năm qua. Hơn nữa, theo quy chế an toàn, trước khi tiến hành hủy giếng thì áp suất GOC cần phải xử lý. Nếu đợi đến khi phải hủy giếng mới tính đến việc xử lý áp suất GOC thì theo kinh nghiệm trên thế giới, rất phức tạp và chi phí rất cao. Do đó, việc nghiên cứu xử lý áp suất GOC hiện nay ở Vietsovpetro là công tác cần thiết.

3. Phân tích các phương pháp xử lý áp suất GOC

3.1. Nguyên nhân của áp suất giữa các cột ống chống

Có nhiều nguyên nhân dẫn đến áp suất giữa các cột ống chống, tuy nhiên có hai nguồn trực tiếp là:

a) Khí (chất lưu) xuất phát từ vỉa đi theo vành đá xi măng để tích tụ trên đầu giếng mà các đồng hồ chỉ báo áp suất ghi nhận được;

b) Khí (chất lưu) xuất phát từ khoảng không vành xuyến giữa cột cần khai thác và cột ống chống cuối cùng đi qua thiết bị đầu giếng tạo nên áp suất GOC.

Cũng có trường hợp thứ 3, khí (chất lưu) xuất phát từ khoảng không gian giữa cột ống khai thác và cột ống chống cuối cùng đi qua những khuyết tật của cột ống chống cuối cùng ra vành đá xi măng rồi tích tụ phía trên.

Trong các nguyên nhân nói trên, thì trường hợp thứ nhất, khí (chất lưu) tích tụ bằng cách đi qua vành đá xi măng, xuất phát từ vỉa được quan tâm đặc biệt trong điều kiện của Vietsovpetro. Dấu hiệu đặc trưng của trường hợp này là áp suất GOC không phụ thuộc vào giá trị áp suất của khoảng không giữa cột ống khai thác và cột ống chống cuối cùng.

Trong thời gian qua Vietsovpetro đã xử lý áp suất GOC, có nguyên nhân như trường hợp thứ 2 do thiết bị đầu giếng là công việc bình thường do Vietsovpetro tự thực hiện. Việc sửa chữa ống chống cuối cùng khi phát hiện có khuyết tật cũng được thực hiện bằng cách dán ống chống hoặc trám xi măng bổ sung một cột ống chống khác có đường kính nhỏ hơn ở bên trong.

Một số giếng khoan có giá trị áp suất GOC lớn hơn 10 MPa hoặc lớn hơn giá trị cho phép mà vẫn có xu hướng tăng, Vietsovpetro đã tiến hành xử lý tạm thời bằng phương pháp xả bớt nhiều lần, như vùng vịnh Mêxicô đã áp dụng. Trong phần này chúng tôi trình bày và phân tích những phương pháp xử lý đối với các giếng có nguyên nhân thứ nhất hoặc thứ ba mà vai trò dẫn khí (chất lưu) của vành đá xi măng có tính quyết định.

Như vậy, trong trường hợp này nguyên nhân trực tiếp là vành đá xi măng không đảm bảo tính cách ly ở điều kiện địa chất kỹ thuật hiện tại của giếng khoan. Do đó phương pháp xử lý triệt để nhất đương nhiên phải khôi phục (hoặc tạo ra) độ cách ly cần thiết cho vành đá xi măng.

3.2. Tổng quan cách xử lý áp suất GOC trên thế giới

3.2.1. Quan điểm của các nước phương Tây (Trường ĐH bang Louisiana)

- Đối với các giếng khoan trám xi măng lên đến miệng. Thông thường thể tích khí tích tụ gần bề mặt là không lớn. Không đưa ra phương án khắc phục, chỉ dùng biện pháp xả áp suất liên tục để giảm bớt mức độ nguy hiểm.

Đối với các giếng khoan không trám xi măng lên đến miệng giếng. Độ dâng xi măng khi xây dựng giếng khoan hầu hết chỉ bao phủ thân trần. Phần giữa các cột ống chống là chất lỏng, nên khi có xuất hiện áp suất ở đây thì dùng phương pháp thay thế chúng bằng loại chất lỏng khác có tỉ trọng lớn hơn (zinc bromide brine).

- Bắn mìn cột ống chống và bơm xi măng bổ sung.

- Các công ty đều chỉ rõ các phương pháp đã sử dụng cho hiệu quả không cao (thành công dưới 50%), [3, 4].

3.2.2. Công nghệ giảm giá trị áp suất GOC của Viện nghiên cứu Khí Astrakhan.

- Xả áp suất GOC qua đường ra của thiết bị đầu giếng.

- Xả áp suất GOC qua cần khai thác hoặc không gian vành xuyến giữa cột cần khai thác và cột ống chống cuối cùng (trong trường hợp hở cột ống chống cuối cùng hoặc sau khi đã bắn mìn cột ống chống cuối cùng).

- Xả qua một giếng khoan bên cạnh (giếng không hoạt động).

- Tạo áp suất thủy tĩnh lên không gian lỗ rỗng của vành đá xi măng, đè lên nguồn gây ra áp suất GOC bằng cách thay thế khí hoặc hơi bởi một loại chất lỏng (bơm vào hoặc tự thay thế), [1].

3.2.3. Khôi phục độ kín vành đá xi măng Viện nghiên cứu Khí Astrakhan.

- Tạo ra một đoạn không thấm trong không gian vành xuyến ngăn cách nguồn là vỉa có áp suất cao bằng cách bắn mìn cột ống chống và bơm ép vật liệu cách ly.

- Dùng nguyên tắc "bồi lắng" để bịt những kênh dẫn, các khe nứt và vi khe nứt đang tồn tại trong vành xuyến xi măng, bằng cách bơm ép (hoặc thay thế theo nguyên tắc trọng lực) chất lỏng từ miệng giếng. Phương pháp này dựa trên cơ sở bơm liên tục loại dung dịch kiềm hoặc kiềm thổ chứa silic pha loãng vào vành đá xi măng.

Do chúng tác dụng với nhau hoặc tác dụng với các sản phẩm thủy hóa của đá xi măng sẽ tạo thành hydrosilicat canxi (C-S-H) có kích thước rất nhỏ có khả năng bám (lắng) vào thành các lỗ rỗng trong cấu trúc đá xi măng và các khe nứt hoặc vi khe nứt, dần dần các khe nứt bị hẹp lại. Các phản ứng có thể xảy ra sau nhiều tháng. Đó là cơ chế bít nhét các kênh dẫn, lỗ rỗng và khe nứt. Trong trường hợp cột ống chống không kín thì tiến hành sửa chữa chúng.

4. Vấn đề xâm nhập khí ở các giếng khoan của Vietsovpetro

- Khí nổi lên khi vữa xi măng còn ở dạng lỏng.

- Giảm áp suất thủy tĩnh, co rút và co ngót khi vữa xi măng chuyển trạng thái.

- Hình thành các khe nứt, vi khe nứt trên mặt tiếp xúc của xi măng với ống chống, xi măng với đất đá thành giếng khoan và trong khối xi măng sau khi đã cứng do hoạt động của giếng gây ra.

5. Kết luận và đề xuất phương án xử lý áp suất giữa các cột ống chống ở Vietsovpetro

5.1. Kết luận

- Số giếng khoan có áp suất GOC của Vietsovpetro là cao, tuy nhiên mức độ nguy hiểm hiện nay không cao.

- Mặc dù vậy, tính phức tạp và sự biến động trạng thái của áp suất GOC (không hề giảm) mà vẫn tăng lên hàng năm.

- Trong giai đoạn hiện nay cần nghiên cứu để tìm phương pháp xử lý (hoặc kiểm soát tình trạng) áp suất GOC hữu hiệu nhất cho các giếng khai thác của Vietsovpetro.

- Với điều kiện trám xi măng dâng lên đến miệng giếng như Vietsovpetro, để không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của giếng khoan, phương pháp hợp lý và khả thi nhất là chữa các khe và vi khe nứt theo nguyên tắc bơm thay thế hoặc tự thay thế do trọng lực theo thời gian bằng dung dịch kiềm chứa silic pha loãng vào vành đá xi măng của các giếng khoan đang khai thác hiện nay của Vietsovpetro.

5.2. Phương án xử lý áp suất giữa các cột ống chống

5.2.1. Các phương pháp xác định nguồn gây ra áp suất giữa các cột ống chống

Tùy thuộc vào điều kiện cho phép của từng giếng, có những cách sau đây:

- Kiểm tra độ kín của thiết bị đầu giếng;

- Kiểm tra mối liên hệ áp suất không gian giữa cột cần khai thác và cột ống chống cuối cùng với áp suất GOC;

- Ép thử cột ống chống ở các đoạn khác nhau (bằng khí hoặc chất lỏng);

- Xả áp suất GOC và nghiên cứu thủy khí động học;

- Dùng chất phóng xạ đánh dấu.

5.2.2. Chữa các khe hở (vi khe nứt) của vành đá xi măng khi giếng đang làm việc

Đối với các giếng khoan đã trám xi măng dâng lên đến miệng, hầu hết ở mỏ Bạch Hổ mà có áp suất GOC, cần khôi phục hoặc tạo ra độ kín của vành đá xi măng bằng phương pháp bơm (hoặc tự chảy do trọng lực) chất lỏng công nghệ từ miệng giếng. Chất lỏng công nghệ là dung dịch kiềm chứa silic pha loãng. Khi chất lỏng công nghệ tiếp xúc với đá xi măng trong các khe thì có khả năng kết tinh do chúng tác dụng với nhau hoặc tác dụng với các sản phẩm thủy hóa của đá xi măng tạo thành các hạt keo hydrosilicat canxi (C-S-H) có kích thước rất nhỏ có khả năng bám (lắng) vào thành các lỗ rỗng và các vi khe nứt, theo thời gian các khe nứt dần dần bị hẹp lại. Các phản ứng có thể xảy ra sau nhiều tháng. Như vậy, tiết diện các khe nứt giảm đi, hình thành các đoạn không thấm hoặc có sức cản thủy lực lớn đố với sự di chuyển khí và các chất lưu.

Đối với các giếng khoan trám xi măng không dâng lên đến miệng, cần xem xét áp dụng thay thế cột chất lỏng đang nằm ở bên ngoài cột ống chống phía trên vành đá xi măng (thường là dung dịch khoan lẫn chất lỏng đệm còn sót lại sau khi trám xi măng) bằng loại chất lỏng có tỉ trọng lớn hơn.

5.2.3. Yêu cầu kỹ thuật đối với chất lỏng công nghệ bơm vào vành đá xi măng

- Có tính thấm tốt qua môi trường rỗng, thể hiện bằng độ nhớt và ứng suất trượt thấp nhất (có thể) trong thời hạn 10 ngày hoặc lâu hơn;

- Độ pH không nhỏ hơn 10;

- Hoạt tính bám dính đối với đá xi măng và thép của cột ống chống;

- Tạo thành các sản phẩm lắng đọng ít tan, không co ngót;

- Tác dụng với các khí ăn mòn (H₂S, CO₂) tạo ra các hợp chất keo.