Biển Đông 01 - Thách thức công nghệ biển sâu (Kỳ 1)

Tầm vóc dự án và những giải pháp đột phá

Biển Đông 01 được xem là một trong những thước đo năng lực khoa học công nghệ (KHCN) của Petrovietnam. Với tổng khối lượng kết cấu cụm công trình trên 70.000 tấn, cùng hệ thống đường ống ngầm hàng chục kilômét và 16 giếng khoan sâu 4.000 - 5.000 m, đây là công trình có độ phức tạp bậc nhất lĩnh vực dầu khí trong những năm đầu thế kỷ 21. Quy mô “siêu trường, siêu trọng” ấy buộc hầu hết các lực lượng tinh nhuệ của Petrovietnam - từ Người điều hành BIENDONG POC đến Liên doanh Vietsovpetro, PTSC, PV Drilling, VPI, PVE, PVC-MS,… cùng hàng loạt đơn vị cơ khí - dịch vụ trong nước. Tất cả hợp thành một sức mạnh tổng hợp, lần đầu tiên đưa trí tuệ và năng lực của người Việt vươn tới chuẩn mực công nghệ chinh phục biển sâu.

Điểm đặc biệt của Biển Đông 01 chính là hệ thống giải pháp KHCN được thiết kế “may đo” cho những điều kiện khắc nghiệt chưa từng có tiền lệ. TS. Ngô Hữu Hải - nguyên Tổng Giám đốc BIENDONG POC từng nhận định, toàn bộ dự án là một cụm công trình nghiên cứu - ứng dụng KHCN với hàng loạt giải pháp độc đáo lần đầu tiên áp dụng tại Việt Nam, thậm chí cả trên thế giới: từ mô hình vỉa tối ưu vị trí giếng, thiết kế kết cấu giàn chịu sóng gió cực đoan, đến công nghệ khoan - hoàn thiện giếng và phương án vận hành khai thác lâu dài.

Khai thác khí trên cụm mỏ Hải Thạch - Mộc Tinh

“Đọc hiểu” lòng đất

Để hiểu thêm về cụm mỏ Hải Thạch - Mộc Tinh, chúng tôi đã mất không ít thời gian nghiên cứu tài liệu, đồng thời tìm cơ hội nghe các kỹ sư kỳ cựu của BIENDONGPOC giảng giải nhiều lần. Dù vậy, những “kẻ ngoại đạo” như chúng tôi cũng chỉ có thể hiểu nôm na một phần về điều kiện địa chất đặc biệt phức tạp của cụm mỏ này.

Không chỉ nằm ở vị trí xa bờ (cách Vũng Tàu 320km), Hải Thạch - Mộc Tinh còn nằm trong một “mê cung” địa chất phức tạp: các lớp cát - bùn turbidite xếp chồng, đứt gãy chằng chịt, áp suất và nhiệt độ biến thiên bất thường. Trong điều kiện ấy, nếu khoan mà thiếu cơ sở khoa học vững chắc thì nguy cơ “thổi bay” hàng chục đến hàng trăm triệu đô la là điều khó tránh khỏi.

Để giải được bài toán "đắt đỏ" này, các nhà khoa học và kỹ sư của Petrovietnam đã triển khai cả một “bộ công cụ” hiện đại để nhìn xuyên lòng đất. Đó là địa chấn 3D chất lượng cao, được xử lý lại nhiều lần để lọc nhiễu. Tiếp đến là phân tích AVO - phương pháp theo dõi sự biến thiên biên độ sóng địa chấn khi thay đổi khoảng cách thu phát, nhờ đó có thể nhận diện lớp đá chứa khí. Cùng với đó là nghịch đảo địa chấn (seismic inversion) để mô phỏng đặc tính vỉa chứa, kết hợp với địa vật lý đá (rock physics) nhằm dự báo sự phân bố của chất lưu.

Nghe thì rất hàn lâm, nhưng chúng ta có thể hình dung đơn giản: giống như bác sĩ dùng MRI hay CT-scan để quét cơ thể, các kỹ sư Petrovietnam cũng “chụp cắt lớp” lòng đất để xác định khu vực nào là cát chứa khí, khu vực nào chỉ toàn bùn đá không có giá trị khai thác. Nhờ những “bức ảnh” ấy, các giếng khoan được định vị chính xác hơn, nâng cao đáng kể hệ số thành công, tiết kiệm chi phí hàng trăm triệu đô la mỗi giếng.

Khoan trong điều kiện cực đoan

Việc chọn đúng vị trí để khoan chỉ là bước đầu, tiếp đến là việc đưa mũi khoan xuống độ sâu hàng nghìn mét mới thực sự là thách thức. Ở độ sâu đó, áp suất lên tới 900 atm, nhiệt độ vượt quá 190°C. Đây là ngưỡng cực hạn mà ngay cả “ông lớn” dầu khí hàng đầu như BP (Vương quốc Anh) - từng giữ vai trò nhà điều hành tại Lô 05-2 và 05-3 - cũng đã phải rút lui sau gần hai thập kỷ hiện diện và tiêu tốn hơn nửa tỷ đô la mà vẫn không thể đưa mỏ vào khai thác.

Để tìm lời giải cho bài toán mà một tập đoàn dầu khí hàng đầu thế giới cũng phải "bó tay", Petrovietnam đã huy động tổng lực trí tuệ, kiên trì thử nghiệm mọi hướng tiếp cận, chấp nhận bước vào vùng chưa từng có tiền lệ. Đây là minh chứng cho sự quyết đoán và bản lĩnh của một tập thể luôn sẵn sàng đối mặt thách thức lớn nhất.

Điểm sáng đầu tiên chính là sự ra đời của PV DRILLING V - giàn khoan nửa nổi nửa chìm Semi-TAD 15K đầu tiên trên thế giới, do PV Drilling làm chủ đầu tư, đáp ứng điều kiện khai thác áp suất và nhiệt độ cao mà chưa có giàn nào trước đó đạt được.

Trước năm 2009, trên thị trường chỉ có các giàn Semi-TAD 10K, hoàn toàn không đáp ứng được áp suất vỉa thực tế ở Hải Thạch - Mộc Tinh, lên tới khoảng 900 atm (tương đương 13.000 psi). Vì vậy, việc tạo ra một giàn Semi-TAD 15K với hệ thống chống phun áp suất 15.000 psi, tháp khoan có sức kéo tới 1,5 triệu lbs là một bước ngoặt. Để dễ hình dung, áp suất 15.000 psi tương đương sức nén của hơn 700 tấn dồn xuống một vòng tròn chỉ rộng khoảng 30 cm - nơi miệng giếng mở ra. Trong khi đó, tháp khoan của PV DRILLING V có sức kéo tới 680 tấn, tương đương với việc nâng cả một chiếc Boeing 747 đầy tải. Nhờ sự kết hợp này, giàn có thể hạ lắp những cột ống chống khổng lồ, xuyên qua nhiều tầng đá dưới đáy biển và vận hành an toàn trong điều kiện đặc biệt của cụm mỏ Hải Thạch - Mộc Tinh.

Song hành với giàn khoan đặc biệt ấy là sự sáng tạo trong vật liệu trám giếng. Ở áp suất và nhiệt độ cực cao, xi măng thông thường rất dễ nứt vỡ, làm mất kín vành giếng - một rủi ro không thể chấp nhận trong khai thác khí. Để giải quyết vấn đề này, các kỹ sư dự án đã nghiên cứu cải tiến hệ xi măng khô Well-Life, bổ sung phụ gia sợi carbon, hạt nặng và những thành phần đặc biệt giúp vành xi măng vừa bền chắc, vừa có độ đàn hồi để không bị giòn gãy. Có thể ví von đơn giản: nếu xi măng thông thường giống như bê tông xây nhà, thì Well-Life là một loại “bê tông chịu lửa” chuyên biệt, đủ sức trụ vững trong “lò áp suất” dưới đáy biển.

Công nghệ khoan cũng được nâng cấp để phù hợp với điều kiện khắc nghiệt. Tại Hải Thạch - Mộc Tinh, “cửa sổ áp suất” giữa vỉa chứa và tầng đá bao quanh rất hẹp, chỉ sai lệch nhỏ là có thể xảy ra phun trào hoặc sập giếng. Chính vì vậy, các kỹ sư đã áp dụng công nghệ khoan kiểm soát áp suất (Managed Pressure Drilling - MPD), cho phép điều chỉnh áp suất giếng theo thời gian thực bằng hệ thống cảm biến và van điều tiết chính xác, bảo đảm cột dung dịch khoan luôn “giữ thăng bằng” trong giới hạn an toàn.

Ngoài ra, hàng loạt cải tiến nhỏ nhưng hiệu quả cũng được triển khai: từ việc thiết kế lại choòng khoan để tối ưu thủy lực rửa giếng, đến việc cải tiến chuỗi ống chống nhằm hạn chế sự cố. Nhờ vậy, tốc độ khoan trung bình đã tăng từ 4,8 m/giờ lên 8,38 m/giờ. Nếu trước đây, khoan một mét phải mất 12 phút thì nay chỉ còn 7 phút. Với một giếng khoan dài hàng nghìn mét, sự khác biệt này giúp tiết kiệm hàng tuần lễ thi công và tiết giảm chi phí hàng triệu USD.

Người lao động BIENDONG POC vận hành khai thác trên cụm mỏ Hải Thạch - Mộc Tinh

Hoàn thiện giếng - những sáng tạo từ thực tiễn

Khi mũi khoan chạm đến vỉa chứa khí, việc “mở dòng” để đưa khí lên mặt đất cũng đòi hỏi công nghệ đặc biệt. Điểm khác biệt lớn đầu tiên là hệ thống đầu giếng. Trên thế giới, các mỏ xa bờ thường dùng đầu giếng ngầm đặt dưới đáy biển, cỡ lớn, đắt đỏ và khó bảo dưỡng. Nhưng ở Biển Đông 01, các kỹ sư đã mạnh dạn chuyển đổi hệ thống đầu giếng ngầm sang đầu giếng nổi thân lớn đặt ngay trên giàn đầu giếng (WHP). Đây là lần đầu tiên trên thế giới áp dụng cho cấu hình cỡ này. Ưu điểm là chi phí đầu tư giảm đáng kể, công tác vận hành - bảo dưỡng thuận tiện hơn, và quan trọng nhất là tăng tính an toàn vì mọi thao tác được thực hiện trực tiếp trên mặt boong, thay vì phải đưa thiết bị lặn xuống đáy biển.

Một bước tiến khác là kỹ thuật bắn mở vỉa bằng ống mềm. Ở các giếng áp suất và nhiệt độ cao, việc tạo lỗ thông giữa vỉa chứa và thân giếng rất nhạy cảm. Nếu dùng phương pháp truyền thống có thể gây nứt vỡ vành xi măng hoặc làm sập thành giếng. Bằng cách dùng ống mềm đưa thiết bị xuống tận đáy để bắn mở vỉa, tác động được kiểm soát nhẹ nhàng và chính xác hơn, giúp giếng khai thác an toàn. Thậm chí, ở một số giếng, BIENDONG POC còn áp dụng giải pháp bắn mở vỉa không cần giàn khoan - tức là triển khai bằng tàu dịch vụ chuyên dụng, giảm chi phí và linh hoạt hơn. Đây là công nghệ hiện đại chỉ một số ít nhà điều hành trên thế giới áp dụng, và Việt Nam đã làm chủ.

Rất nhiều chi tiết kỹ thuật khác cũng đã được nghiên cứu, cải tiến để phù hợp với điều kiện cực đoan: thiết bị treo giữ ống khai thác được gia cường để chịu tải lớn, hệ thống hồi dung dịch hoàn thiện giếng được tối ưu để tiết kiệm và đảm bảo an toàn, các công cụ đo đạc được thiết kế phù hợp với áp suất - nhiệt độ cao. Những chi tiết tưởng nhỏ này, cộng lại, chính là yếu tố bảo đảm cho dòng khí và condensate từ Hải Thạch - Mộc Tinh được khai thác liên tục, ổn định trong suốt nhiều năm.

Hiểu đơn giản, nếu coi giếng khoan là một “đường ống dẫn khí” từ lòng đất lên, thì hoàn thiện giếng chính là việc lắp đặt toàn bộ van khóa, nút chặn, đường dẫn và hệ thống bảo vệ để dòng khí đi lên một cách an toàn, đều đặn. Ở Biển Đông 01, mọi công đoạn này đều phải được thiết kế, gia cố liên tục, và trong nhiều trường hợp, các kỹ sư phải sáng tạo ra giải pháp hoàn toàn mới.

(còn tiếp)

Trúc Lâm