Nghiên cứu lực căng liên diện nhằm tăng cường thu hồi dầu (EOR)

Đo lực căng liên diện siêu thấp – Chìa khóa nâng cao hiệu quả thu hồi dầu bằng EOR hóa học

Nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng đòi hỏi phải cải tiến các phương pháp tăng cường thu hồi dầu (Enhanced Oil Recovery – EOR). Trong số đó, EOR hóa học được đánh giá là giải pháp hứa hẹn nhất để đạt hiệu suất thu hồi dầu tối đa. Tuy nhiên, cho đến nay, phương pháp này vẫn bị hạn chế do chi phí hóa chất cao và những lo ngại về tác động môi trường.

Vì vậy, hiện nay có sự quan tâm rất lớn đến việc tối ưu hóa các quy trình EOR hóa học theo hướng giảm lượng hóa chất sử dụng và ưu tiên các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên, từ đó giảm chi phí và hạn chế áp lực lên môi trường.

Trong báo cáo ứng dụng này, chúng tôi trình bày cách kỹ thuật đo lực căng giao diện bằng phương pháp giọt quay (Spinning Drop Tensiometry) có thể được sử dụng để tối ưu hóa thành phần dung dịch nhằm nâng cao hiệu quả thu hồi dầu. Lực căng giao diện (Interfacial Tension – IFT) giữa dầu thô và dung dịch nước với các thành phần khác nhau đã được đo đáng tin cậy xuống tới mức 5·10⁻⁵ mN/m bằng máy đo Spinning Drop Tensiometer – SITE100.

Ở những giá trị IFT cực thấp như vậy, vi nhũ tương (microemulsions) được hình thành, qua đó làm tăng mạnh khả năng thu hồi lượng dầu còn sót lại trong vỉa.

Bối cảnh nghiên cứu

Trong khai thác dầu mỏ, các phương pháp truyền thống bao gồm:

• Giai đoạn sơ cấp (primary recovery): sử dụng áp suất tự nhiên của vỉa,

• Giai đoạn thứ cấp (secondary recovery): bơm nước hoặc khí để đẩy dầu thô lên bề mặt.

Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu cho thấy rằng sau khi áp dụng các phương pháp truyền thống này, trung bình các vỉa dầu vẫn còn lại khoảng hai phần ba tổng lượng dầu ban đầu trong vỉa (Original Oil-In-Place – OOIP). Điều này tương đương với khoảng 2·10¹² thùng dầu chưa được khai thác [1].

Để tiếp cận lượng dầu còn sót lại này, nhiều nỗ lực đã được đầu tư nhằm phát triển các kỹ thuật khai thác giai đoạn ba (tertiary recovery), hay còn gọi là các phương pháp tăng cường thu hồi dầu (EOR). Các phương pháp này sử dụng nhiệt hoặc dung dịch bơm ép có thành phần được kiểm soát chặt chẽ để làm di động lượng dầu còn bị giữ lại trong các lỗ rỗng của đá chứa.

Các phương pháp EOR

Một loạt các phương pháp EOR đã được giới thiệu và nhiều phương pháp trong số đó đã được thử nghiệm trong các dự án thực địa. Tổng quan chi tiết về các phương pháp EOR có thể được tìm thấy trong bài tổng quan của S. Thomas [1].

Cho đến nay, do chi phí cao và lo ngại về môi trường, EOR vẫn chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong tổng sản lượng khai thác dầu. Tuy nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ cùng với giá dầu tăng do nguồn cung hạn chế và nhu cầu năng lượng cao, sản lượng dầu thu hồi ở giai đoạn ba được kỳ vọng sẽ tiếp tục tăng trong tương lai.

EOR hóa học

Trong số các phương pháp đã được công bố, EOR hóa học (bơm ép nước có chứa các phụ gia hóa học) thường được đánh giá là giải pháp tiềm năng nhất để tối đa hóa khả năng thu hồi 2·10¹² thùng dầu còn nằm dưới lòng đất [1].

Trong phương pháp này, dung dịch bơm ép chứa các tác nhân hóa học được đưa vào vỉa để tăng khả năng di động của dầu, từ đó đẩy lượng dầu còn sót lại ra ngoài – điều mà các phương pháp sơ cấp và thứ cấp không thể thực hiện được.

Các dung dịch bơm ép hóa học có thể chứa:

• Chất hoạt động bề mặt (Surfactant – S)

• Chất kiềm (Alkali – A)

• Polymer (P)

• Hoặc các tổ hợp như AP-flooding, SP-flooding, ASP-flooding,

• Ngoài ra còn có các chất phụ trợ hoạt động bề mặt khác như alcohol.

Vai trò của polymer

Các polymer như polyacrylamide thủy phân một phần (HPAM) làm tăng độ nhớt của dung dịch bơm ép, giúp ngăn hiện tượng “viscous fingering” – tức dòng dung dịch loãng đi tắt qua các vùng chứa dầu có thể khai thác mà không đẩy được dầu ra ngoài.

Vai trò của surfactant

Surfactant có khả năng giảm mạnh lực căng giao diện (IFT) giữa dầu thô và dung dịch bơm ép xuống dưới 10⁻³ mN/m, mức thường được coi là cần thiết để đạt hiệu quả thu hồi dầu cao.

Việc giảm IFT là một phương pháp hiệu quả để tăng số mao dẫn (capillary number – Nᴄ), từ đó giảm độ bão hòa dầu dư trong vỉa, như sẽ được phân tích chi tiết hơn ở phần sau.

Vai trò của alkali

Các chất kiềm cũng ảnh hưởng đến IFT thông qua việc tạo surfactant tại chỗ (in situ). Dầu thô chứa các thành phần có tính axit như axit naphtenic; khi các thành phần này bị khử proton nhờ xử lý bằng kiềm (ví dụ: natri hydroxide, natri carbonate hoặc natri orthosilicate), chúng sẽ hoạt động như surfactant, từ đó làm giảm IFT.

Phương pháp bơm ép kiềm còn được gọi là alkaline flooding hoặc caustic flooding.

IFT và số mao dẫn Nᴄ

Một trong những thông số quan trọng mà các phương pháp EOR hướng tới là số mao dẫn (Capillary Number – Nᴄ):

Số mao dẫn (Nᴄ) biểu thị tỷ số giữa lực nhớt và lực mao dẫn (lực căng liên diện), trong đó 𝜈 là vận tốc dòng chảy trong lỗ rỗng $m/s$, 𝜇 là độ nhớt Pa⋅s của chất lỏng bơm ép và 𝛾 là lực căng liên diện (IFT) giữa dầu thô và chất lỏng bơm ép mN/m = dyn/cm. Giá trị Nᴄ cao có mối tương quan với sự giảm độ bão hòa dầu dư (Hình 1).

Đối với một quá trình bơm ép nước đã trưởng thành, Nᴄ nằm trong khoảng 10⁻⁷ đến 10⁻⁶, trong khi đối với hệ hòa tan hoàn toàn (fully miscible systems), Nᴄ tiến tới giá trị vô hạn khi lực căng liên diện tiến về 0 mN/m.

Trong EOR, Nᴄ được điều chỉnh thông qua nhiệt độ và chủ yếu thông qua thành phần của dung dịch bơm ép. Cả hai yếu tố này đều góp phần làm giảm lực căng liên diện giữa dầu dư và chất lỏng bơm ép, từ đó dịch chuyển số mao dẫn sang các giá trị cao hơn, qua đó tác động tích cực đến khả năng di động của dầu.

Ảnh hưởng của điều kiện vỉa

Ý tưởng tăng khả năng di động của dầu thông qua việc giảm lực căng liên diện giữa dầu và chất lỏng thay thế bằng phương pháp bơm ép hóa học đã cho thấy kết quả đầy hứa hẹn trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, cho đến nay, chỉ tại Trung Quốc mới có một lượng dầu đáng kể được thu hồi bằng các phương pháp hóa học.

Để lý giải nguyên nhân của hiện tượng này cũng như các vấn đề có thể phát sinh trong các dự án thực địa, cần phải xem xét các tương tác và điều kiện thực tế trong vỉa dầu.

Dầu thô trên toàn thế giới khác nhau về thành phần hóa học và tính chất vật lý. Tùy thuộc vào phân bố các hợp chất có tính axit trong dầu thô, việc tạo surfactant tại chỗ (in situ) thông qua xử lý kiềm có thể tác động khác nhau đến hiệu suất thu hồi dầu.

Ngoài ra, các surfactant tạo thành tại chỗ có thể thể hiện hiệu ứng hiệp đồng khi kết hợp với các surfactant khác, như đã được mô tả chi tiết hơn trong một báo cáo ứng dụng khác [2].

Các vỉa dầu còn có hồ sơ nhiệt độ riêng biệt, điều này cần được xem xét khi áp dụng EOR hóa học, vì nhiệt độ ảnh hưởng mạnh đến giá trị lực căng liên diện.

Các hợp chất hóa học (polymer, surfactant) có thể hấp phụ lên bề mặt thành vỉa, và mức độ hấp phụ phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo của vỉa (đá, đất sét).

Độ mặn của nước muối được sử dụng để bơm ép cũng ảnh hưởng mạnh đến EOR hóa học, đặc biệt là thông qua tác động đến lực căng liên diện.

Tóm lại, các đặc tính riêng của từng vỉa dầu và của lượng dầu dư tương ứng cần phải được xem xét đầy đủ nếu EOR hóa học được áp dụng.

Tối ưu hóa EOR hóa học

Một nhược điểm lớn của các phương pháp EOR hóa học so với các phương pháp EOR khác là chi phí tương đối cao của các hợp chất hóa học. Do đó, rất nhiều nỗ lực nghiên cứu đang được tập trung vào việc phát triển các surfactant rẻ tiền và có nguồn gốc tự nhiên.

Trong báo cáo ứng dụng này, câu hỏi được đặt ra là làm thế nào để giảm thiểu chi phí và tác động môi trường của quá trình EOR hóa học xuống mức thấp nhất. Để làm rõ vấn đề này, chúng tôi phân tích và thảo luận các kết quả đã được công bố gần đây bởi Zhang và cộng sự [3].

Cụ thể, lực căng liên diện giữa dầu thô và dung dịch nước chứa surfactant tự nhiên đã được biến tính đã được đo bằng máy đo lực căng liên diện giọt quay SITE100.

Ảnh hưởng của:

• mức độ biến tính hóa học của surfactant,

• nồng độ surfactant,

• các loại chất kiềm khác nhau,

• nồng độ kiềm,

• và các loại alcohol khác nhau,

đã được khảo sát một cách có hệ thống.

Thiết bị SITE100 cho phép xác định lực căng liên diện siêu thấp xuống tới 10⁻⁶ mN/m, mức đủ thấp để vi nhũ tương dầu–nước ổn định có thể tự hình thành.

Trong những điều kiện này, một lượng lớn dầu có thể được hòa tan trong chất lỏng bơm ép, đồng thời các vi nhũ tương này thể hiện đặc tính dòng chảy mao dẫn thuận lợi, qua đó tổng thể làm tăng mạnh hiệu suất thu hồi dầu.

Phần thực nghiệm

Axit humic (humates) là các sản phẩm hữu cơ tự nhiên phổ biến, hình thành từ quá trình phân hủy hóa học và sinh học của tàn dư động thực vật. Việc ứng dụng chúng trong EOR đồng nghĩa với tối đa hóa việc sử dụng tài nguyên tự nhiên với tác động tối thiểu đến môi trường.

Axit humic đã được biến tính hóa học nhằm tăng hoạt tính liên diện. Hoạt tính của các axit humic đã biến tính được đánh giá bằng cách đo lực căng liên diện của dung dịch nước chứa surfactant với dầu thô.

Hiệu ứng hiệp đồng

Hiệu ứng hiệp đồng của các hợp chất bổ sung như chất kiềm và alcohol trong việc giảm thêm lực căng liên diện đã được khảo sát.

Kỹ thuật đo lực căng liên diện bằng phương pháp giọt quay được sử dụng để tối ưu hóa thành phần dung dịch surfactant nhằm đạt được giá trị lực căng liên diện siêu thấp.

Mô tả chi tiết hơn về phương pháp thực nghiệm và các kết quả liên quan có thể được tìm thấy trong công bố gốc của Zhang và cộng sự [3].

Surfactant

Axit humic được chiết tách từ các mẫu than nâu (lignite) (từ mỏ than Wucaiwan, Trung Quốc) bằng xử lý kiềm, sau đó được tinh chế thêm. Các axit humic đã tinh chế này được biến tính kỵ nước theo sơ đồ trình bày trong Hình 2.

Dầu

Dầu thô có chỉ số axit (acid number) là 1,05 mg KOH trên mỗi gam dầu thô và khối lượng riêng 0,91 g/mL, được cung cấp bởi mỏ dầu Dagang, Trung Quốc.

Thiết bị và phương pháp

Lực căng liên diện giữa dầu thô và dung dịch surfactant được đo bằng máy đo lực căng liên diện giọt quay SITE100.

Phương pháp đo giọt quay (spinning drop tensiometry) cung cấp một cách tiếp cận đáng tin cậy và khả thi để xác định các giá trị lực căng liên diện cực thấp, xuống tới 10⁻⁶ mN/m.

Sơ đồ bố trí của mao quản được sử dụng trong phương pháp đo giọt quay được minh họa trong Hình 3.

Pha nặng (dung dịch surfactant/nước muối) được nạp vào mao quản thủy tinh đặt theo phương ngang, sau đó một giọt đơn của pha nhẹ (dầu thô) được đưa vào bên trong. Mao quản được quay với tốc độ xác định, làm cho giọt bị kéo dài dưới tác dụng của lực ly tâm.

Lực căng liên diện (IFT) có xu hướng giảm thiểu diện tích bề mặt tổng thể của giọt, trong khi lực ly tâm lại thúc đẩy sự kéo dài của giọt.

Ở điều kiện cân bằng, đường kính của giọt bị kéo dài có thể được xác định thông qua phân tích điểm ảnh tự động từ hình ảnh thu được bởi camera, và được sử dụng để tính toán lực căng liên diện theo Phương trình (2).

Trong đó γ là lực căng liên diện (IFT), d là đường kính giọt, ω là tần số góc quay, và Δρ là độ chênh lệch khối lượng riêng giữa pha nhẹ và pha nặng. [4]

Để mô phỏng điều kiện của vỉa dầu, nhiệt độ đo được điều chỉnh ở 45 °C. Việc này được thực hiện dễ dàng với thiết bị SITE100, do mao quản được bao quanh bởi dầu ở nhiệt độ mong muốn.

Quy trình thử nghiệm và kết quả

Axit humic được biến tính kỵ nước bằng cách gắn các nhóm C10, tạo thành C10-HANa. Lực căng liên diện của các dung dịch có nồng độ C10-HANa khác nhau khi tiếp xúc với dầu thô được trình bày trong Hình 4.

Lực căng liên diện (IFT) giảm mạnh khi bổ sung C10-HANa với nồng độ lên đến 0,20 %, trong khi chỉ giảm nhẹ khi nồng độ vượt quá 0,20 %. Điều này chứng tỏ rằng axit humic đã được biến tính có khả năng làm giảm lực căng liên diện giữa dầu thô và dung dịch nước. Tuy nhiên, với các giá trị lớn hơn 0,1 mN/m, lực căng liên diện vẫn chưa đủ thấp để hình thành vi nhũ tương (microemulsion) và do đó chưa thể nâng cao đáng kể khả năng thu hồi dầu còn sót lại.

Để tiếp tục nâng cao hiệu quả của surfactant tự nhiên đã được biến tính nhằm giảm lực căng liên diện xuống các giá trị siêu thấp, nhỏ hơn 10⁻³ mN/m, các loại kiềm khác nhau đã được nghiên cứu bổ sung (Bảng 1). Natri photphat cho thấy hiệu quả tốt nhất trong việc làm giảm lực căng liên diện.

Như đã giải thích trước đó, các chất kiềm gây ra sự hình thành surfactant tại chỗ (in situ) thông qua quá trình khử proton của một số thành phần trong dầu thô. Hiệu ứng hiệp đồng giữa surfactant hình thành tại chỗ và axit humic đã biến tính làm giảm mạnh giá trị lực căng liên diện so với trường hợp chỉ sử dụng dung dịch surfactant đơn thuần.

các chất kiềm được thử nghiệm, tuy nhiên chúng lại cho các giá trị lực căng liên diện khác nhau, dao động trong khoảng từ 1·10⁻² đến 5·10⁻⁴ mN/m. Điều này có thể được giải thích bởi các tương tác riêng biệt giữa anion của chất kiềm và các phân tử surfactant tại bề mặt phân cách dầu–nước. Để biết thêm chi tiết, xin tham khảo Tài liệu [2].

Lực căng liên diện (IFT) được quyết định bởi sự sắp xếp và phân bố của surfactant, chất điện ly và các hợp chất hoạt tính khác tại bề mặt phân cách dầu–nước. Nhiều alcol tự thân cũng thể hiện tính chất hoạt động bề mặt, và có thể hỗ trợ tối ưu hóa sự phân bố của surfactant tại bề mặt phân cách theo hướng giảm thiểu lực căng liên diện.

Bốn alcol thông dụng (ethanol, n-propanol, iso-propanol và n-butanol) đã được thử nghiệm nhằm đánh giá khả năng tiếp tục làm giảm lực căng liên diện để nâng cao hiệu quả thu hồi dầu. Trong số tất cả các alcol được khảo sát, n-propanol cho thấy giá trị lực căng liên diện thấp nhất trong toàn bộ các phép đo của Zhang và cộng sự (xem Hình 5, 5,3·10⁻⁵ mN/m) tại nồng độ 4 %.

Các giá trị lực căng liên diện cực thấp như vậy được kỳ vọng sẽ làm tăng mạnh hiệu suất thu hồi dầu trong các quá trình EOR hóa học. So với hệ nước tinh khiết – dầu thô, trong đó lực căng liên diện thường nằm trong khoảng 20–40 mN/m, đây là mức giảm từ 10⁵ đến 10⁶ lần.

Theo Phương trình (1), và không xét đến ảnh hưởng của lực nhớt, điều này dẫn đến sự gia tăng số mao dẫn (NC) lên khoảng 10⁵ lần, qua đó cải thiện đáng kể khả năng thu hồi dầu. Do các giá trị lực căng liên diện cực thấp này đạt được nhờ sử dụng surfactant có nguồn gốc tự nhiên kết hợp với các phụ gia chi phí thấp, quy trình EOR hóa học có thể được tối ưu hóa hiệu quả cả về mặt kỹ thuật lẫn kinh tế.

Kết luận thử nghiệm

EOR hóa học được kỳ vọng là phương pháp hiệu quả nhất nhằm tối đa hóa khả năng thu hồi lượng dầu còn sót lại trong vỉa. Do điều kiện vỉa và thành phần dầu thô khác nhau trên toàn thế giới, các hệ dung dịch surfactant cần được thiết kế riêng biệt cho từng trường hợp cụ thể.

Máy đo lực căng liên diện giọt quay – SITE100 hỗ trợ sàng lọc nhanh thành phần hóa học tối ưu của dung dịch bơm ép, nhằm đạt được lực căng liên diện siêu thấp giữa dung dịch bơm ép và dầu thô. Các giá trị lực căng liên diện xuống tới 5·10⁻⁵ mN/m có thể đạt được và được đo một cách tin cậy.

Điều này giúp kích hoạt và kiểm soát sự hình thành vi nhũ tương dầu–nước–surfactant, từ đó làm tăng mạnh hiệu suất thu hồi dầu.

Để tìm hiểu về các thiết bị phân tích sức căng liên diện, vui lòng liên hệ với chúng tôi để được hỗ trợ tư vấn trực tiếp.

Tài liệu tham khảo:

• [1] S. Thomas, Tăng cường thu hồi dầu – Tổng quan, Oil Gas Sci Technol 2008, 63, 9-19.
• [2] C. Rulison, Các khía cạnh hiệp đồng của hỗn hợp chất hoạt động bề mặt, Báo cáo ứng dụng KRÜSS AR 204 1996.
• [3] J. Zhang, G. Li, F. Yang, N. Xu, H. Fan, T. Yuan, L. Chen, Chất hoạt động bề mặt natri humat biến tính kỵ nước: Sức căng bề mặt cực thấp ở giao diện dầu / nước, Appl Surf Sci 2012, 259, 774-779.
• [4] B. Vonnegut, Phương pháp bong bóng quay để xác định lực căng bề mặt và bề mặt, Rev Sci Instrum 1942, 13, 6-9.
• Nghiên cứu :”Lực căng liên diện siêu thấp trong thu hồi dầu tăng cường (EOR)” của Kruss Scientific