Tận dụng các giải pháp khoan dầu khí để tăng cường khoan địa nhiệt Kỳ III: Khoảng cách kiến thức hiện tại trong lĩnh vực khoan bất thường

Thứ hai, 24/06/2024 | 01:33 GMT +7

| 024.221.47474

Nghiên cứu đào tạo

Tận dụng các giải pháp khoan dầu khí để tăng cường khoan địa nhiệt Kỳ III: Khoảng cách kiến thức hiện tại trong lĩnh vực khoan bất thường

10/06/2024

Việc thăm dò và phát triển các nguồn năng lượng địa nhiệt đóng một vai trò quan trọng trong nhu cầu toàn cầu về năng lượng sạch và bền vững các lựa chọn thay thế. Tuy vậy, vẫn không thể tránh khỏi những thách thức và lỗ hổng kiến thức để phân biệt khoan địa nhiệt với khoan dầu khí thông thường.

Ảnh minh họa

Giải pháp khoan tiên tiến

Đi đầu trong các giải pháp khoan tiên tiến, các công nghệ như khoan bằng bản sao số, mô hình động nhiệt và các giải pháp AI đang cách mạng hóa việc xây dựng giếng. Bản sao số tạo ra các trình diễn ảo của môi trường khoan vật lý, nâng cao giám sát, tối ưu hóa và đào tạo theo thời gian thực. Mô hình động nhiệt tích hợp mô hình giếng khoan toàn diện giải quyết linh hoạt các phương trình bảo toàn, xem xét các yếu tố như hiệu ứng vận chuyển khối lượng động và nhiệt độ. Giải pháp AI từ eDrilling bao gồm một trình mô phỏng khoan tích hợp, mô-đun chất lượng dữ liệu, giám sát thời gian thực, phương pháp chẩn đoán, công nghệ tư vấn hiển thị 3D, tăng cường phân tích khoan theo thời gian thực. Việc triển khai các giải pháp tiên tiến này hứa hẹn sẽ nâng cao và hiện đại hóa việc ra quyết định, giảm thiểu thời gian phi sản xuất, tối ưu hóa hoạt động khoan để đạt hiệu quả và an toàn tốt hơn trong suốt quá trình quá trình thi công giếng.

Khoan với cặp công nghệ bản sao số: Việc khoan bằng bản sao số tận dụng các công cụ phần mềm và công nghệ tiên tiến để tối ưu hóa hoạt động khoan bởi được giới thiệu lần đầu vào năm 2002 do Tiến sĩ Michael Grieves (Đại học Michigan, Hoa Kỳ) đặt ra, sau này được tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI), học máy (ML) và phân tích phần mềm với dữ liệu để tạo một mô hình mô phỏng đối tượng hoàn chỉnh. Một bản sao số liên tục học hỏi và cập nhật từ nhiều nguồn để mô tả trạng thái gần thời gian thực, điều kiện làm việc hoặc vị trí của nó với khái niệm bản sao số liên quan đến việc tạo ra một đại diện ảo của tài sản vật chất, được áp dụng rộng rãi trong các ngành khác nhau, bao gồm dầu khí, để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu chi phí vận hành. Trong lĩnh vực dầu khí, bản sao số có thể đại diện cho tài sản từ thiết bị riêng lẻ đến toàn bộ mỏ dầu, phục vụ các mục đích như nâng cao hiệu quả trong vận hành, vận hành, lập kế hoạch, và thiết kế tài sản, giúp nâng cao hiệu suất thông qua các hoạt động dựa trên dữ liệu, giảm thiểu nhu cầu về dịch vụ thiết bị và nâng cấp, nhờ đó cải thiện độ tin cậy (Endress A., 2017; Grieves M., 2006; Grieves M., 2016; eDrilling AS, 2010).

Trong hoạt động khoan, bản sao số là một giếng ảo phức tạp dựa trên tất cả các đặc điểm xác định của giếng và khi được ghép nối với các mô hình cơ khí và thủy lực phức tạp, hiển thị 3D theo thời gian thực. Sự tích hợp này cung cấp một cách toàn diện, thời gian thực tổng quan, đưa ra sự so sánh rõ ràng giữa những gì đang diễn ra và sắp diễn ra tất cả hiện trên một màn hình. Các mô hình khoan có thể được áp dụng trong suốt vòng đời khoan, bao gồm lập kế hoạch, giám sát thời gian thực, tối ưu hóa, phân tích sau, thậm chí cả việc huấn luyện những người điều khiển. Hệ thống tạo ra các thông báo chẩn đoán trong quá trình vận hành để cảnh báo cho những người điều khiển về các điều kiện khoan đang xấu đi, cho phép hành động kịp thời và đưa ra quyết định sáng suốt. Việc sử dụng bản sao số trong khoan có thể giúp tiết kiệm chi phí, nâng cao độ an toàn, tăng hiệu quả, giảm thời gian phi sản xuất và tránh bảo trì ngoài kế hoạch (Mayani và cộng sự, 2019; May ani và cộng sự, 2018).

Bản sao số của giếng còn đem lại cơ hội tối ưu hóa vận hành, cải thiện hiệu suất, đại diện cho phần mềm mô hình động phản ánh các tài sản, hệ thống và quy trình khác nhau. Các cảm biến thu thập dữ liệu, giúp các bộ phận của tổ chức có thể truy cập được dữ liệuCông nghệ khoan bản sao số cho phép dự báo, điều chỉnh tham số và mô phỏng để tối ưu hóa hiệu quả khoan mà không làm gián đoạn hoạt động giếng đang diễn ra, tạo điều kiện cho việc đưa ra quyết định nhanh hơn, sáng suốt hơn bằng cách dự đoán và ngăn chặn thời gian không hiệu quả, đồng thời tăng cường hoạt động khoan. Triển khai bản sao số trong hoạt động khoan là một cách tiếp cận hiện đại, tiết kiệm chi phí để lập kế hoạch, giám sát, thi công giếng khoan so với phương pháp khoan truyền thống khi mà liên quan đến việc sử dụng dữ liệu downhole tiên tiến và sự phức tạp mô hình hóa dựa trên các mô hình cơ khí, nhiệt thủy lực trong suốt vòng đời xây dựng giếng, giúp đem lại các lợi ích như sớm phát hiện bất thường, thông báo chẩn đoán phòng ngừa, giảm thời gian ngừng hoạt động và cải thiện độ an toàn.

Tóm lại, khoan bằng bản sao số là một cách tiếp cận sáng tạo, góp phần thúc đẩy mô hình hóa tiên tiến, tích hợp dữ liệu thời gian thực và trực quan hóa để tối ưu hóa hoạt động khoan, nâng cao hiệu quả và cải thiện mức độ an toàn trong ngành dầu khí.

Mô hình động nhiệt/Mô hình giếng nhiệt thủy lực: Mô hình cốt lõi được thảo luận ở đây là mô hình giếng nhiệt thủy lực tích hợp được thiết kế để giải quyết phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng trong hệ thống khoan (Petersen và cộng sự, 2008). Mô hình toàn diện này bao gồm hai thành phần chính: Mô hình dòng chảy phiên bản một chiều 1D và mô hình nhiệt phiên bản hai chiều 2D đã được ứng dụng trong nhiều bối cảnh khác nhau (Barr Aas và cộng sự, 2016; Blikra và cộng sự, 2014 và các công trình liên quan).

Một trong những tính năng chính của mô hình này là sự kết hợp của vận chuyển khối lượng động trong tính toán thủy lực. Điều này ngụ ý việc những thay đổi trong điều kiện ranh giới, cấu hình nhiệt độ không được phản ánh tức thời; đúng hơn, chúng lan truyền dần dần qua hệ thống. Mật độ của chất lỏng liên quan (khoan bùn, miếng đệm, viên nén rắn, xi-măng v.v.) bị ảnh hưởng bởi áp suất và nhiệt độ, và nếu có, các phép đo trong phòng thí nghiệm có thể cung cấp thông tin cho những tính toán này. Đặc tính lưu biến và mật độ, cả sự phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ là trọng tâm của mô hình. Dữ liệu thời gian thực được thu thập từ giếng được đưa vào tính toán và những dữ liệu này sau đó được thêm vào dọc theo đường dẫn dòng chảy để xác định hồ sơ áp suất và nhiệt độ theo thời gian và vị trí.

Đối với tổn hao áp suất ma sát được đánh giá bằng cách khớp dữ liệu lưu biến với mô hình ba tham số. Các phương pháp được thiết lập việc áp dụng xử lý chảy nhiều tầng, các dòng chảy chuyển tiếp và hỗn loạn là một loại dòng chảy trong đó dung dịch khoan trải qua những dao động không đều thay vì dòng chảy tầng trơn tru với vận tốc của chất lỏng đang trải qua những thay đổi liên tục cả về độ lớn và hướng. Điều này được xem xét đến các yếu tố như tải trọng quay, tải trọng phần cắt cành giâm cuttings và vận chuyển trong hình vành khuyên. Mô hình này chứa nhiều chất lỏng và dòng chảy nhiều pha, bao gồm cả dòng khí đi vào và vận chuyển khí cũng như các hydrocarbon khác trong giếng và sự chuyển pha trong hỗn hợp phức tạp của bùn gốc dầu và dòng chảy.

Mô hình nhiệt độ xem xét cấu trúc địa chất của giếng và tính chất của các lớp đồng tâm, bao gồm các lớp vỏ/lớp lót bằng xi măng và các vật liệu khác cũng như ảnh hưởng đến tính chất chất lỏng, đặc tính vật lý nhiệt và các thông số vận hành, chẳng hạn như độ quay. Mô hình nhiệt độ động (2D) được tích hợp liền mạch với mô hình vận chuyển khối lượng động (1D), với các đầu vào bao gồm hình thành nhiệt độ gradient (tức là đại lượng vật lý mô tả hướng có tốc độ thay đổi nhiệt độ nhanh nhất, ở xung quanh một vị trí, và độ lớn của mức độ thay đổi nhiệt độ nhanh nhất này; gradien nhiệt độ là một loại gradie thể hiện trong đơn vị đo của nhiệt độ trên đơn vị đo của chiều dài) cũng như nhiệt độ bùn.

Mô hình động mang lại nhiều lợi ích trong việc tối ưu hóa quá trình khoan:

- Giải thích và đào tạo: Điều này cho phép mô phỏng các hiệu ứng tiến trình xác định nguồn gốc của một mẫu dầu mỏ (hoặc cặn hydrocarbon) được gọi là “lấy dấu vân tay” (fingerprinting) và dòng chảy ngược là giai đoạn đầu tiên trong quá trình sản xuất giếng hydrocarbon; trước khi dòng chảy ngược bắt đầu, giếng được khoan và sau đó được hàn lại, hỗ trợ việc giải thích điều kiện, bao gồm cả việc phân biệt giữa dòng chảy và không dòng chảy.

- Hiệu ứng các áp suất dâng và dịch chuyển: Đây còn được gọi là hiệu ứng được tạo ra bởi việc vấp dây khoan trong giếng và di chuyển dòng chảy ổn định của chất lỏng theo hướng dọc trục được hình thành trong vành khuyên khi đường ống đứng được đẩy với vận tốc đứng yên bởi do lực ma sát giữa chất lỏng đang chảy và bề mặt của vành xuyến giếng khoan. Mô hình cho phép mô phỏng các hiệu ứng áp suất dâng và dịch chuyển trong quá trình chạy và hoàn thiện đường ống, hỗ trợ xây dựng các quy trình an toàn cho việc ngắt và kết nối.

- Phát triển chất lưu vỉa xâm nhập vào giếng (hiện tượng kick): Khi đề cập đến sự phát triển chất lưu vỉa xâm nhập vào giếng, các yếu tố xem xét như sự hòa tan trong bùn gốc dầu, cung cấp một giải pháp thay thế thực tế cho các mô hình tĩnh để đánh giá tác động của khí xâm nhập vào trong giếng và ống chống.

- Tổn thất áp suất: Mô hình mô phỏng tổn thất áp suất tại van tiết lưu (choke) và ngắt dòng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc đào tạo huấn luyện quy trình kiểm soát tốt.

- Hiệu ứng nhiệt độ: Mô hình động bao gồm việc mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ đối với các tính chất của bùn và dịch chuyển phần cắt cành giâm (cuttings), cho phép đánh giá nhiệt độ bùn thấp tại đường bùn và tối ưu hóa việc vận chuyển các phần cắt cành giâm từ mũi khoan vành khuyên lên bề mặt nhằm loại bỏ sớm cản trở việc khoan. Mô hình động bao gồm việc mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ đối với tính chất của bùn và sự vận chuyển cành giâm, cho phép đánh giá nhiệt độ bùn thấp ở đường bùn và tối ưu hóa việc vận chuyển cành giâm trong ống chống lạnh.

- Điện tử nhiệt độ cao: Hầu hết các dụng cụ cảm biến và công cụ phân loại lỗ khoan hướng xiên cho địa nhiệt được giới hạn ở 175oC, song để tiếp cận các thành tạo sâu và nóng thì cần phải tiếp xúc lâu hơn với thành hệ trên 200oC. Sự phát triển của các phương pháp làm mát bằng dung dịch khoan, làm mát chủ động, cách nhiệt và cách ly tích cực, các vật liệu và công nghệ chế tạo mới có thể cho phép hệ thống vòng khép kín trong quá trình hình thành nóng và khô.

- Chất đàn hồi nhiệt độ cao: Động cơ bùn và các công cụ của hệ thống điều khiển quay RSS là một hình thức công nghệ khoan được dùng trong khoan định hướng khi sử dụng các thiết bị khaon xiên ngang chuyên dụng để thay thế các công cụ định hướng thông thường như động cơ bùn. Khoan RSS có đặc tính áp suất ma sát thấp và khả năng chống xoắn, tốc độ khoan cao, chi phí thấp, thời gian thi công giếng ngắn, quỹ đạo giếng trơn tru, dễ dàng kiểm soát và mở rộng chiều dài tiết diện ngang, v.v., được coi là hướng phát triển của công nghệ khoan hiện đại. Hệ thống điều khiển quay có thể được chia thành hai loại hệ thống theo chế độ dẫn hướng của nó: Đẩy bit và Chỉ bit. Tuy vậy, RSS ngày nay không thể chịu được nhiệt độ lên tới 165°C song buộc phải thích nghi với nhiệt độ cao hơn. Động cơ bùn metal-to-metal (kim loại với kim loại với tất cả các bộ phận nguồn metal power) đều được định mức ở nhiệt độ lớn hơn 300°C (572°F), do đó chúng không dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ khắc nghiệt và hầu hết các vấn đề liên quan đến bùn thường thấy với công nghệ PDM truyền thống. Việc tiếp xúc kim loại với kim loại chuyển thành chế độ hoạt động cao hơn nhiều sau khi đã được tạo nguyên mẫu và thử nghiệm vật liệu tổng hợp ở nhiệt độ cao, điều này sẽ cho phép khoan định hướng ở các thành tạo vỉa đã có.

- Tốc độ khoan trong đá nóng: Đá nóng nghĩa là tốc độ khoan có thể được định nghĩa là độ sâu thâm nhập đạt được trên một đơn vị thời gian đối với một loại đá nhất định, đường kính mũi khoan và áp suất không khí hoặc nước, và đá biến chất mạnh hơn đáng kể so với đá trầm tích. Tốc độ khoan hiện hành dao động trong khoảng từ 7m đến 15m/giờ và tuổi thọ chế độ dẫn hướng bit là từ 100m đến 500m. Điều này có thể được thông qua giải quyết mới và cải tiến song thiết kế, công nghệ búa, phun tia và hồ quang plasma, giám sát thời gian thực song hoạt động và tối ưu hóa năng lượng khoan. Công nghệ này sẽ giúp giảm CAPEX nhờ thời gian khoan ngắn hơn.

Mô hình được liên kết trực tiếp với các thông số vận hành theo thời gian thực, bao gồm tốc độ bơm, tốc độ xuyên thấu, trọng lượng trên chế độ hướng dẫn bit, số vòng quay trên mỗi phút, thực tiễn kết nối và tốc độ ngắt, cho phép đánh giá theo thời gian thực cũng như tính toán áp lực giếng so với vị trí và các thông số khác các thông số, với kết quả được so sánh với dữ liệu đo được khi có sẵn. Trong trường hợp thiếu dữ liệu đo, giá trị tương đương được tính toán mật độ tuần hoàn/mật độ tĩnh tương đương dùng làm tham chiếu cho áp suất giếng. Sự tích hợp này đảm bảo sự thể hiện chính xác của điều kiện khoan, hỗ trợ ra quyết định hiệu quả và tối ưu hóa quy trình.

Giải pháp AI: Công nghệ do giải pháp AI cung cấp từ phương pháp dập giếng eDrilling cho phép lập mô hình, giám sát, tối ưu hóa, chẩn đoán, trực quan hóa và kiểm soát thời gian thực quá trình khoan, cho phép các chuyên gia giám sát tiến trình khoan từ xa và tăng cường hoạt động khoan. Các yếu tố công nghệ chính bao gồm:

- Trình mô phỏng khoan tích hợp: Trình mô phỏng tiên tiến và tốc độ cao này là mô hình động các quy trình cần khoan khác nhau và tương tác của chúng theo thời gian thực, đồng thời có thể được sử dụng để lập kế hoạch lại một cách nhanh chóng (kịch bản giả định).

- Module chất lượng dữ liệu (DQM): Module này tập trung vào việc đảm bảo xử lý và giải thích chính xác dữ liệu thu được trong quá trình khoan được mô hình hóa một cách có hệ thống các hiệu ứng vật lý có thể ảnh hưởng đến các giá trị đo được, sửa lỗi và cải thiện chất lượng của dữ liệu khoan.

- Phương pháp giám sát thời gian thực: Giám sát thời gian thực của quá trình khoan sử dụng dữ liệu khoan, hoạt động khoan theo thời gian mô hình (mô phỏng khoan tích hợp) để giám sát và phân tích hoạt động khoan theo thời gian thực.

- Phương pháp chẩn đoán: Các module vận hành, quy trình khác nhau được xây dựng dựa trên các mô hình quy trình cơ bản hỗ trợ việc giải thích và chẩn đoán, giúp xác định sớm các vấn đề tiềm ẩn trong quá trình khoan.

- Công nghệ tư vấn: Công nghệ này cung cấp hỗ trợ tư vấn để tối ưu hóa hoạt động khoan bằng cách cung cấp đề xuất và giải pháp nhằm đạt được hiệu quả khoan tối ưu.

- Virtual Wellbore (Trực quan hóa phiên bản ba chiều 3D): Giếng khoan ảo là một công cụ trực quan hóa phiên bản ba chiều 3D cung cấp thông tin chi tiết các hoạt động khoan đang diễn ra theo thời gian thực cũng như cung cấp một giao diện thân thiện với người dùng, cho phép người vận hành, nhân viên hỗ trợ và người quản lý hình dung toàn bộ quá trình khoan theo ba chiều.

- Luồng dữ liệu và cơ sở hạ tầng máy tính: Cơ sở hạ tầng hỗ trợ luồng dữ liệu, tài nguyên máy tính cần thiết cho hoạt động của bản sao số.

- Tóm lại, công nghệ của phương pháp dập giếng eDrilling cung cấp giải pháp toàn diện cho việc phân tích khoan theo thời gian thực, từ chất lượng dữ liệu cải tiến mô hình tiên tiến, giám sát, chẩn đoán, hỗ trợ tư vấn và trực quan hóa phiên bản ba chiều 3D sống động, tất cả đều góp phần để khoan hoạt động an toàn hơn, hiệu quả hơn.

Công việc trong tương lai

Đối với công việc và sự phát triển trong tương lai đối với công nghệ khoan địa nhiệt và công nghệ bản sao số, một số lĩnh vực có thể được khám phá, bao gồm:

(1) Học máy và AI: Việc khám phá sâu hơn về học máy, trí tuệ nhân tạo có thể nâng cao khả năng dự báo khả năng của công nghệ bản sao kỹ thuật số trong khoan địa nhiệt có thể xác định các mẫu, sự bất thường và tối ưu hóa cơ hội một cách hiệu quả hơn.

(2) Dữ liệu, mô hình mới cho các công cụ và cảm biến khoan lỗ khoan địa nhiệt: Khoan địa nhiệt có những thách thức và các yêu cầu đòi hỏi phải phát triển dữ liệu, mô hình chuyên dụng cho các công cụ và cảm biến downhole. Những công cụ này có thể giúp thu thập dữ liệu địa nhiệt có liên quan, cải thiện độ chính xác của bản sao số cho các ứng dụng khoan địa nhiệt.

(3) Giới hạn áp suất và nhiệt độ (P/T) trong mô hình động: Khoan địa nhiệt thường liên quan đến áp suất cực cao và điều kiện nhiệt độ. Công việc trong tương lai có thể tập trung vào việc mở rộng khả năng của mô hình động để xử lý phạm vi rộng hơn của điều kiện P/T, đảm bảo mô phỏng và dự đoán chính xác trong giếng địa nhiệt.

(4) Tùy chỉnh quy trình khoan địa nhiệt: Khoan địa nhiệt có những đặc điểm độc đáo so với khoan thông thường, chẳng hạn như môi trường nhiệt độ cao và những thách thức địa chất cụ thể. Để tối ưu hóa hoạt động khoan trong lĩnh vực địa nhiệt, công nghệ bản sao số cần được tùy chỉnh để giải quyết các yêu cầu và thách thức cụ thể này.

(5) Tích hợp các yếu tố môi trường: Khoan địa nhiệt cũng có thể được hưởng lợi từ việc kết hợp các yếu tố môi trường, chẳng hạn như tác động tiềm tàng đến hệ sinh thái địa phương và nước ngầm. Sự phát triển trong tương lai có thể bao gồm mô hình hóa môi trường trong công nghệ bản sao số để đảm bảo hoạt động khoan địa nhiệt bền vững.

(6) Tích hợp và tiêu chuẩn hóa dữ liệu: Việc tiêu chuẩn hóa các định dạng dữ liệu, phương pháp tích hợp trong ngành địa nhiệt có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi thông tin liền mạch giữa các bên liên quan và hệ thống khác nhau, nâng cao hiệu quả của công nghệ bản sao số.

Tóm lại, những phát triển trong tương lai về khoan địa nhiệt và công nghệ bản sao số cần nhằm giải quyết những thách thức và yêu cầu cụ thể của giếng địa nhiệt, đồng thời khám phá các khả năng tiên tiến như AI, cân nhắc về môi trường và hỗ trợ quyết định hợp tác để tối ưu hóa hơn nữa hoạt động khoan trong lĩnh vực năng lượng độc đáo và có giá trị này: Dữ liệu và mô hình mới cho các công cụ và cảm biến khoan địa nhiệt, giới hạn P/T của mô hình động và các tính năng mới cần thiết để điều chỉnh quá trình khoan địa nhiệt.

Bằng cách áp dụng các công nghệ thực tiễn tiên tiến từ khoan dầu khí, chẳng hạn như AI và công nghệ bản sao số, việc khoan địa nhiệt cũng có thể đạt được hiệu quả về mặt chi phí và hoạt động hiệu quả cao hơn. Đối với việc đưa năng lượng địa nhiệt lên hàng đầu như một nguồn năng lượng bền vững, tiết kiệm nguồn chi phí đòi hỏi sự đổi mới liên tục và hiểu biết sâu sắc hơn về những thách thức cụ thể của địa nhiệt. Điều này liên quan đến việc giải quyết các vấn đề hạn chế kỹ thuật, tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và thúc đẩy hợp tác trong ngành để đẩy nhanh những tiến bộ trong công nghệ khoan địa nhiệt.

Theo PVN

Mức sử dụng trong tháng	Giá (đồng/kWh)
Bậc 1: Cho kWh từ 0 - 50	1.806
Bậc 2: Cho kWh từ 51 - 100	1.866
Bậc 3: Cho kWh từ 101 - 200	2.167
Bậc 4: Cho kWh từ 201 - 300	2.729
Bậc 5 Cho kWh từ 301 - 400	3.050
Bậc 6: Cho kWh từ 401 trở lên	3.151