Chuyên đề Nghiên cứu hệ thống tách pha dầu khí nội mỏ Bạch Hổ, tính toán công nghệ và chọn bình tách ngang trên giàn CTP-2 mỏ Bạch Hổ

Mức cao và thấp LSH/L chỉ báo động ở SCADA. + Mức rất thấp LSLL sẽ báo động và đóng van MIM nước đầu ra. 3.2.1.3. Bình tách C1-4, C1-5 Hai bình này hoạt động song song nhận khí từ GMS. Khí từ C1-4, C1-5 được đưa sang CCP và trên đường đi mỗi bình có lắp bộ đo lưu lượng khí riêng. Thông thường đặt áp suất tại bình này lớn hơn áp suất trong bình C3 một ít để MIM khí C3 làm việc trước thì tốt hơn. Ngoài ra nó còn có thể nhận condensate từ CCP sang đưa vào hệ thống xử lý. a.Thông số về bình - Loại chất lưu: dầu thô, khí - Pha: 2 pha - Áp suất thiết kế: 45,7 bar - Nhiệt độ thiết kế: 1250C - Thể tích: 49 m3 - Đường kính trong: 2400 mm - Khoảng cách giữa 2 đầu bình: 10000 mm b. Dòng chất lưu đầu vào cho mỗi bình - Khí: 67341 kg/h (5802 m3/h) - Lỏng: 41319 kg/h (64 m3/h) - Lượng lỏng bất ngờ có thể nhận là: 5 ÷ 6 m3 c. Điều kiện vận hành - Áp suất: 11 ÷ 12 at - Nhiệt độ: 26 ÷ 400C Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý điều khiển của bình tách C1 3.2.2. Bình tách C2 3.2.2.1. Bình tách C2-1; C2-2 Là bình chứa dầu và bình chứa khí thấp áp, là bình tách 2 pha làm việc theo nguyên lý trọng lực. a. Các thông số của bình - Loại chất lưu: dầu thô, khí - Pha: 2 pha - Áp suất thiết kế: 6,6 bar - Nhiệt độ thiết kế: 1100C - Thể tích: 100 m3 - Đường kính trong: 3000 mm - Khoảng cách giữa 2 đầu bình: 13000 mm b. Dòng chất lưu đầu vào cho mỗi bình - Khí: 1604 kg/h - Dầu: 208737 kg/h c. Điều kiện vận hành - Áp suất: 1 ÷ 2 at - Nhiệt độ: 95,50C Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý của bình tách C2 3.2.2.2. Bình tách C2-3; C2-4 Là bình chứa dầu cho bơm thấp áp H-5 bơm đi tàu đồng thời là bình tách thấp áp trong quá trình xử lý dầu, hai bình này có thể làm việc song song hoặc độc lập để chứa dầu thương phẩm. a. Thông số về bình - Loại chất lưu: dầu thô, khí - Pha: 2 pha - Áp suất thiết kế: 6.6 bar - Nhiệt độ thiết kế: 1250C - Thể tích: 207 m3 - Đường kính trong: 3900 mm - Khoảng cách giữa 2 đầu bình: 16000 mm b. Dòng chất lưu đầu vào cho mỗi bình - Khí: 1485 kg/h - Dầu: 417357 kg/h c. Điều kiện vận hành - Áp suất: 1 ÷ 2 at - Nhiệt độ: 970C 3.2.3. Bình tách C3 3.2.3.1. Bình đo C3a Dùng để đo giếng, xác định lưu lượng dầu, khí và từ đó xác định tỷ lệ dầu khí, đóng vai trò là bình tách cao áp làm việc song song với bình C1-1/2/3. Là bình tách 2 pha lỏng khí làm việc theo nguyên tắc trọng lực, áp suất làm việc được duy trì ở min là 11,5 at. Hai van an toàn lắp trên bình để bảo vệ. a. Thông số về bình - Loại chất lưu: dầu, khí, nước - Áp suất thiết kế: 27,5 bar - Nhiệt độ thiết kế: 1250C - Thể tích: 12,65 m3 - Đường kính trong: 1700 mm - Khoảng cách giữa 2 đầu bình: 5000 mm b. Dòng chất lưu đầu vào - Khí: 16035 kg/h - Dầu: 84314 kg/h - Nước: 20239 kg/h c. Điều kiện vận hành - Áp suất: 11,5 at min - Nhiệt độ: 1000C 3.2.3.2. Bình tách C3b Bình thu hồi chất lỏng và làm sạch khí. Khí đi vào bình qua ống 16’’, phần chất lỏng trong khí bị lọc lại và tích tụ lại ở dưới bình và tự động xả xuống bình E3 hoặc C2-4. Phần vỏ bình và các thiết bị phụ trợ được bộ sấy mềm ở nhiệt độ 600C đề phòng hỗn hợp lưu chất có sáp. Bình được trang bị 2 van an toàn. a. Thông số bình - Chất lưu: khí và chất lỏng hydrocacbon - Áp suất thiết kế: 27,5 bar - Nhiệt độ thiết kế: 1100C - Thể tích: 6,55 m3 - Đường kính trong: 1300 mm - Khoảng cách giữa 2 đầu bình: 4500 mm b. Dòng chất lưu đầu vào cho mỗi bình - Khí: 112425 kg/h - Chất lỏng: 6730 kg/h c. Điều kiện vận hành - Áp suất: 10 at min - Nhiệt độ: 350C min Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý điều khiển của bình tách C3 3.2.4. Bình tách C4 Là bình phân ly khí, có chức năng giữ lại chất lỏng trong dòng khí trước khi ra đuốc cao áp và đặc biệt chất lỏng xuất hiện trong các tình huống bất thường như nổ van an toàn các bình tách cao áp. Bình gồm 2 phần chính: - Phần bình nằm ngang phía trên: lối vào ở một đầu và lối ra ở giữa bình. - Phần bình nằm ngang phía dưới: tích tụ và chứa chất lỏng từ phần bình phía trên bảo đảm cho bình phía trên chỉ chứa pha khí. a. Thông số về bình tách - Chất lưu: khí và hydrocacbon - Loại: bình tách ngang có ngăn chứa chất lỏng - Áp suất thiết kế: 6,6 bar - Nhiệt độ thiết kế: 1000C - Thể tích: 9,82 m3 - Phần thân trên: ID 1900´8000 mm - Phần thân dưới: OD 710´6500 mm b. Dòng chất lưu đầu vào - Khí: 109313 kg/h - Chất lỏng: là không đáng kể trong điều kiện bình thường c. Điều kiện vận hành - Áp suất: 0,5 at max - Nhiệt độ: 35 ÷ 620C Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý điều khiển của bình tách C4 3.2.5. Bình tách C5 Bình phân ly khí C5 có chức năng giữ lại chất lỏng trong dòng khí trước khí ra đuốc thấp áp và đặc biệt xuất hiện trong các sự cố bất thường như nổ van an toàn tại các bình thấp áp. Bình có 2 phần chính: - Phần nằm ngang phía trên: tách khí. - Phần bình nằm ngang phía dưới: tích tụ và chứa phần chất lỏng phía trên chảy xuống và bảo đảm cho phần trên chỉ tách khí. 3.2.6. Bình tách C6-1/2 Là loại bình tách lọc khí nhiên liệu, dùng để xử lý khí cao áp trước khi cấp cho các máy phát tại giàn. Khí từ bình tách C3 hoặc bình tách C9 được giảm xuống còn 3 at trước khi vào bình. Bình tách C6 được cấu tạo bởi 2 phần là phần phin lọc và phần thu hồi chất lỏng. a. Thông số bình tách - Dòng chất lưu đầu vào cho mỗi bình: + khí: 3112 kg/h ( 3000 Nm3/h) - Hiệu quả tách: + Tách 100% hạt chất rắn lớn hơn 1 micron + Tách 100% hạt chất lỏng lớn hơn 3 micron - Áp suất thiết kế: 16 bar - Nhiệt độ thiết kế: 1100C - Thể thích : 9,83 m3 - Phần thân trên: ND 16’’´2150 mm - Phần chứa chất lỏng phía dưới: ND 10’’´1850 b. Điều kiện vận hành - Áp suất: 3 at - Nhiệt độ: 460C 3.2.7. Bình tách D1 Bình tách khí trong nước. Là bình tách 3 pha xử lý nước vỉa nhận từ C1-3 và EG. Trong bình tách có ngăn tách dầu nước, sau đó dầu được đưa xuống E8 và khí được đưa ra C5. 3.2.8. Bình tách E a. Bình tách E1 Là bình xử lý: - Nhận dầu khí từ các giếng qua đường xả kỹ thuật 8’’ ở Manifold. - Nhận dầu khí từ van an toàn bình đo qua đường ống 6’’. - Nhận dầu khí từ van an toàn các giếng qua đường ống 16’’. b. Bình tách E3 Nhận chất lỏng xả tự động từ: - C3,4,5 và C6-1/2 - Các máy nén gas và gasheater block-12. - Từ đường condensate đen giàn CCP, PPD. c. Bình tách E7 Bình chứa dầu bẩn nhận dòng dầu dưới tác dụng trọng lực chảy xuống từ F1. Dầu bẩn là hỗn hợp 95% nước, một lượng dầu và cặn rắn. Là bình tách có bộ đo mức để ra lệnh chạy hoặc dừng bơm. Nó được điền đầy Nitơ thông qua đường cân bằng 4’’ nối với F1 và E8. d. Bình tách E8 Là bình chứa dầu, nhận dầu từ thiết bị vớt của bình CV1/2 và từ ngăn dầu của bình D1. e. Bình tách EG1/2/3/4 Các bình tách nước. Có 2 phần chính là: - Phần trên: tách khí - Phần dưới: tách dầu và nước Bình tách trọng lực không tách hoàn toàn được pha nước, bình EG sẽ làm nốt phần việc này bằng phương pháp tĩnh điện. Đặc biệt khi nước lẫn trong dầu dưới dạng nhũ tương thì lực điện trường sẽ tách lượng nước này ngoài ra một lượng nhũ phẩm hoá nhũ sẽ được bơm vào để tăng hiệu quả tách. 3.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một số loại bình tách 3.3.1. Bình tách dầu - khí dạng đứng Trên hình (3.8) hỗn hợp dầu khí được dẫn qua đoạn ống 1 đi vào ống xẻ rãnh bộ thu và phân tán 2. Trên 2 có các khe rãnh để xé dòng hỗn hợp thành các tia nhỏ trước khi đi vào tấm nghiêng 6. Trên mặt phẳng nghiêng bố trí các thanh chặn nhỏ để tăng cường khả năng tách khí. Dưới tác dụng của trọng lực chất lỏng chảy xuống phía dưới bình, còn khí bay lên trên. Các tấm vách ngăn 10 có tác dụng làm ổn định mực chất lỏng với dòng chảy xung động lớn. Bộ điều khiển mực dạng phao 7 có bố trí cơ cấu điều khiển tự động 8 để xả dầu ra khỏi bình tách theo chu kỳ. Ống thủy tinh 11 dùng để xác định lưu lượng chất lỏng trong bình tách. Phần trên của bình tách được lắp đặt một cơ cấu để lọc các hạt chất lỏng bị cuốn lên theo khí. Cơ cấu này hoạt động theo những nguyên lý: va đập, thay đổi hướng và tốc độ của dòng khí đi lên, ly tâm và sử dụng lưới kết tụ. Các hạt chất lỏng được giữ lại chảy xuống theo ống 12. Trên đoạn ống dẫn khí ra 13, người ta đặt bộ điều khiển áp suất 3 để duy trì áp suất trong bình không đổi. Ở trên cùng của bình có van an toàn 5 để xả khí khi áp suất trong bình vượt qua giới hạn cho phép. Loại bình tách thẳng đứng này cho phép xác định chính xác khối lượng chất lỏng và thường sử dụng khi sản phẩm khai thác chứa nhiều cát và tạp chất cơ học khác. Hình 3.8. Sơ đồ cấu tạo bình tách dầu - khí dạng đứng Chú thích: 1. Đường dẫn hỗn hợp dầu khí vào 8. Van xả dầu tự động 2. Bộ phận thu và phân tán 9. Đường ra của dầu 3. Van điều khiển áp suất 10. Các tấm vách ngăn 4. Bộ lọc kiểu nan chớp 11.Ống thủy tinh đo mực 5. Van an toàn 12. Ống thu dầu ngưng tụ 6. Các tấm nghiêng 13. Đường xả khí 7. Bộ điều khiển mực kiểu phao 14. Đường xả 3.3.2. Bình tách dầu - khí dạng nằm ngang Trên hình (3.9) hỗn hợp dầu khí được đưa vào bình theo đường 1 đến bộ phận phân ly 2, tại đây khí được tách ra khỏi dầu. Phần dầu sau khi được tách, các giọt dầu bám trên 3 và đi xuống phần lắng. Một phần nhỏ tồn tại dưới dạng sương bị cuốn vào dòng khí và đi vào chớp chắn 4. Tại đây các giọt dầu sẽ kết dính lại đi vào phần lắng, còn khí sẽ đi vào vách ngăn và xả ra ngoài theo 6. Bộ phần điều chỉnh van điều khiển 7 và 9 điều khiển việc xả dầu. Hình 3.9. Sơ đồ cấu tạo bình tách dầu - khí dạng nằm ngang Chú thích: 1. Đường vào của hỗn hợp dầu khí 7. Van xả tự động 2. Bộ phận phân ly 8. Đường xả dầu 3. Tấm chắn nghiêng 9. Hệ thống phao điều khiển 4. Chớp chắn 10. Đường xả cặn 5. Vách ngăn 11. Đường thu hồi dầu ngưng tụ 6. Đường xả khí 3.3.3. Bình tách cấp 1 có hệ thống thu gom khí sơ bộ Hình 3.10. Sơ đồ cấu tạo bình tách cấp 1 có hệ thống thu gom khí sơ bộ Chú thích: 1, 3. Đoạn ống nghiêng của bộ giảm xung 8. Khoang bẫy các hạt lỏng 2. Đoạn ống nằm ngang của bộ giảm xung 9. Thiết bị Ejector 4. Đoạn ống thoát khí 10. Các mặt phẳng nghiêng 5. Bộ phận giảm xung động 11. Bộ điều khiển tự động kiểu phao 6. Màng lưới chặn 12. Hệ thống van xả dầu 7. Các vách ngăn của chớp 13. Vách ngăn Đây là loại bình được đánh giá là hiệu quả nhất. Tại đầu vào của thiết bị tách, người ta đặt một thiết bị giảm xung. Hỗn hợp dầu - khí từ đường ống đi vào bình theo đoạn ống nghiêng số 1 (góc nghiêng từ 300 đến 400), rồi đến đoạn ống nằm ngang số 2 (dài từ 2 m đến 3 m), tiếp tục đi qua ống nghiêng số 3 (dài từ 15m đến 20m và góc nghiêng từ 100 đến 150). Từ đoạn ống số 3 khí được thu hồi và đi vào thiết bị số 4 để đi vào bộ phận giảm xung 5. Sau đó khí được dẫn vào khoang số 8. Khoang số 8 là khoang bẫy các hạt chất lỏng gồm mạng lưới chặn số 6 và khung chớp số 7. Từ khoang số 8 khí sẽ đi vào thiết bị số 9 rồi đi ra ngoài. Các giọt dầu tách ra sẽ đi qua tấm chắn số 10 xuống phía dưới của bình. Dầu còn sót một phần khí qua đoạn ống số 3 và đi vào bình tách. Khi mức chất lỏng trong bình đủ lớn và tràn vách ngăn số 14 tới các mặt phẳng nghiêng số 10. Tại đây dầu sẽ được trải thành từng lớp mỏng để khí dễ dàng tách ra khỏi dầu và bay lên khoang bẫy dầu số 8 hoặc lên thẳng thiết bị số 9. Dầu thương phẩm sẽ được xả ra ngoài qua bộ điều khiển phao số 11 theo đường xả dầu số 12. Các vách ngăn trong bình có tác dụng làm ổn định mức chất lỏng trong bình. - Ưu điểm: + Tách dầu - khí độc lập. + Hiệu quả tách cao. - Nhược điểm: + Bình tách tương đối kồng kềnh do bộ phận nhô lên phía trên. + Ít được sử dụng ở ngoài giàn khoan. 3.3.4. Bình tách có hệ thông thải nước sơ bộ Đặc trưng của bình tách kiểu này là kiểu 2 khoang: khoang tách khí số 3 và khoang lắng số 6. Hai khoang này được ngăn cách với nhau bởi các vách ngăn hình cầu số 15 và được liên hệ với nhau qua các thiết bị kết tụ tạo giọt chất lỏng số 14. Sản phẩm khai thác đi vào khoang tách khí theo vòi dẫn số 1 tới tấm rót trải dầu số 2, tấm này có tác dụng tách khí triệt để. Khí được tách ra và đưa vào khoang số 6 qua van số 4, từ khoang lắng số 6 khí được đưa qua bộ phận bẫy dầu số 7 và đi vào đường ống thu gom khí. Chất lỏng bị cuốn theo dòng khí sẽ được giữ lại ở thiết bị số 7, kết dính lại với nhau và chảy xuống khoang lắng số 6 nhờ trọng lực. Nhũ tương dầu - nước từ khoang số 3 qua thiết bị tạo giọt số 14 đi vào khoang lắng số 6. Sự chênh lệch áp suất giữa khoang số 3 và khoang số 6 cỡ khoảng hơn 0,2MP. Để quá trình phân chia có hiệu quả, người ta đưa thêm vào bộ phận tạo giọt số 14. Thiết bị số 14 được chia từ 3 đoạn ống nằn ngang có đường kính tăng dần theo hướng dòng chảy. Do có cấu tạo như vậy, nên quá trình tạo giọt nước xảy ra tuần tự như sau: Các hạt chất lỏng sẽ có kích thước lớn dần do dòng chảy rối, tiếp theo đến các hạt nhẹ kết hợp với nhau để tạo thành giọt lớn và cuối cùng là quá trình phân lớp dưới tác dụng của trọng lực. Độ dài chung của ống khoảng 500 m. Khoang lắng có thiết bị phân dòng số 5 dạng đục lỗ để phân bố nhũ tương đều khắp khoang lắng. Dầu đã tách nước và nước được tự động xả ra khỏi bình nhờ bộ điều chỉnh số 10, 12. Đoạn ống số 8, 9 là đường ra của 2 chế độ tương ứng, là bình tách đầy và chưa đầy. Hình 3.11. Sơ đồ cấu tạo bình tách có hệ thống thải nước sơ bộ Chú thích: 1. Vòi dẫn hỗn hợp dầu - khí - nước 7. Thiết bị bẫy các hạt dầu 2. Thanh rót trải dầu 8, 9. Các ống xả dầu 3. Khoang tách khí 10. Hệ thống tự động xả dầu 4. Van xả tự động 11. Bộ phận thu dầu 5. Bộ phận phân dòng 12. Hệ thống tự động xả nước 6. Khoang lắng 13. Bộ phận thu nước 14. Hệ thống tạo bọt 16. Đường nước vòng trở lại 15. Vách ngăn hình cầu 3.3.5. Bình tách bậc cuối Dưới tác dụng của vòi phun 2 dầu được khuếch tán trong khoang khí của bình tách. Các hạt dầu khuếch tán có bề mặt tiếp xúc lớn với khí lại được tách khí thêm lần nữa, sau đó lắng xuống lưới kết tụ 3 và chảy xuống dưới. Dầu được tách khí tự chảy vào bình chứa dầu thương phẩm, khí cao áp và thấp áp từ thiết bị 4 đi vào thiết bị làm lạnh 5 và vào bình tách 6. Tại đây xảy ra quá trình tách hydrocacbon nhẹ (từ C1C4) và hydrocacbon nặng ( C5). Hình 3.12. Sơ đồ cấu tạo bình tách bậc cuối Chú thích: 1. Bộ phận thu và phân tán 5. Thiết bị làm lạnh 2. Hệ thống vòi phun 6. Bình tách 3. Lưới kết tụ hạt dầu 7. Hệ thống tự động xả dầu đã tách khí 4. Ejector 8. Bộ phận thu giữ hạt dầu 3.3.6. Bình tách 2 tầng kiểu xoáy Hình 3.13. Sơ đồ bình tách hai tầng kiểu xoáy Chú thích: 1. Đầu vào tạo dòng xoáy 8. Van điều tiết 2. Thanh hướng dòng 9. Thanh kéo 3. Bình chứa tầng trên 10. Hệ thống xả nước 4. Các tấm rót trải dầu 11. Bộ cảm biến đo mực kiểu phao . 5. Bộ phận thu giữ hạt dầu 12. Các tấm rót dầu 6. Vòi phun 13. Vách ngăn 7. Các vách ngăn dạng nan chớp 14. Bình chứa tầng dưới Đối với loại bình này, quá trình tách khí ra khỏi dầu nhờ bộ phận xoáy thủy lực 1, sau đó đến các trạm rót 4 và 12. Quá trình tách khí được tăng tốc nhờ các vòi phun 6. Hỗn hợp dầu khí đi vào bình theo phương tiếp tuyến với thành bình. Nhờ lực ly tâm nên dầu tập trung vào thành bình, còn khí nhẹ hơn sẽ tập trung vào phần trung tâm. Dầu và khí từ bình đi ra ngoài theo 2 đường riêng biệt nhờ thanh hướng dòng 2. Khí tách ra được giải phóng khỏi dầu, các hạt dầu bị thiết bị 5 và lưới chặn 7 thu giữ lại. CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ BÌNH TÁCH PHA Tính toán công nghệ giải quyết 3 nội dung: - Tính toán tách pha hoặc cân bằng pha nhằm mục đích tính lượng khí tương ứng với áp suất của bình. - Tính toán kích thước của bình. - Tính toán bền cho bình tách: xác định được các ngoại lực tác động lên bình tách khi làm việc, chọn vật liệu và bề dày thích hợp để bình làm việc an toàn. 4.1. Tính toán cân bằng Phương pháp sử dụng phụ thuộc chủ yếu vào áp suất tách. 4.1.1. Chế độ tách ở áp suất thấp Với các thiết bị làm việc ở áp suất thấp hơn 10 atm và hệ thống hydrocacbon đơn giản, định luật Paul - Danton bảo đảm độ chính xác cho yêu cầu sản xuất. Nội dung định luật: áp suất riêng phần của thành phần thứ i trong pha hơi (Pyi) bằng áp suất riêng phần của thành phần đó trong pha lỏng (xipi). P.yi = xi.pi (4.1) Trong đó: P: áp suất chung của hỗn hợp pi: áp suất hơi bão hòa yi: Hàm lượng mol thành phần thứ i trong pha khí xi: Hàm lượng mol thành phần thứ i trong pha lỏng Phương trình (4.1) cho thấy sự phân bố pha hydrocacbon trong hệ thống cân bằng hai pha ở một nhiệt độ nào đó xảy ra tương ứng với áp suất riêng phần của pha hơi và hàm lượng mol của chúng. Khi áp suất và nhiệt độ thay đổi, sự cân bằng sẽ bị phá hủy, xảy ra sự tái phân bố để đạt tới trạng thái cân bằng mới. Nếu biết nhiệt độ, áp suất của hỗn hợp, hàm lượng thành phần của một pha, có thể tìm thấy hàm lượng của chúng trong pha kia. a. Giả sử có thành phần pha lỏng x1 + x2 + x3 +…+ xn = 1 (4.2) Áp suất chung của hỗn hợp hơi theo định luật Paul - Danton là: P = p1 + p2 + p3 +…+ pn (Danton) = x1.p1+ x2.p2 + ….+ xn.pn (Paul) P = (4.3) Phương trình bắt đầu tách khí tiếp xúc (4.3), chỉ ra giá trị áp suất (ứng với nhiệt độ) tại đó khí bắt đầu được tách ra. Khi biết áp suất chung của hỗn hợp, có thể tìm thấy hàm lượng tất cả các thành phần ở trạng thái cân bằng trong pha khí theo phương trình (4.1). (4.4) b. Giả sử biết thành phần pha khí y1 + y2 + y3 +…+ yn = 1 Từ (4.2) và (4.4) có thể viết: (4.5) Và (4.6) Phương trình (4.6) là phương trình kết thúc tách khí tiếp xúc hoặc bắt đầu ngưng tụ tiếp xúc, chỉ ra trị số áp suất chung bão hòa của hỗn hợp ứng với điều kiện nhiệt độ tương ứng. Khi biết giá trị áp suất này, kết hợp với thành phần pha hơi và giá trị áp suất cục bộ ta xác định được thành phần pha lỏng tiếp xúc với pha khí. (4.7) 4.1.2. Chế độ tách áp suất cao Với các thiết bị tách làm việc với áp suất cao hơn 10 atm, dùng hệ số cân bằng Ki: (4.8) Từ (3.4): (4.8a) Và: (4.8b) Từ các phương trình (4.8a); (4.8b) ta thấy: Nếu Ki > 1, tức là xi > yi thành phần có hàm lượng cao ở pha khí, thấp ở pha lỏng. Nếu Ki < 1, tức là xi < yi ngược lại, thành phần có hàm lượng cao ở pha lỏng. Xét trong 1 Kmol hỗn hợp, gọi số mol pha lỏng là L và pha khí là G, hàm lượng % của mỗi cấu tử là zi: L + G = 1 (4.9) (4.10) Phương trình cân bằng cho mỗi cấu tử: zi = L.xi + G.yi (4.11) Kết hợp với phương trình (3.8) ta được: zi = (1 – G).+ G.yi (4.12) Giải ra: (4.13) zi = (1 – G).xi+ G.xi.Ki (4.14) Ta có: (4.15) Sự ảnh hưởng của áp suất đến quá trình tách thể hiện ở hình (3.1) sau: Hình 4.1. Biến thiên hằng số Ki theo áp suất Trên hình (4.1) cho thấy sự thay đổi Ki của C3H8 và C6H14 theo áp suất khi nhiệt độ không đổi là 270C. Ở mỗi đường cong tồn tại một giá trị cực tiểu của Ki tương ứng với giá trị áp suất khác nhau cho từng loại khí. Các giá trị cực tiểu này tương ứng với một khoảng áp suất giới hạn. Vì vậy, nếu các yếu tố khác không thay đổi sẽ tìm thấy một giá trị áp suất để thu được số lượng lỏng cực đại, áp suất đó gọi là áp suất tối ưu của quá trình tách. Vai trò của nhiệt độ đối với các hydrocacbon khác nhau khi áp suất không đổi là 27 at, được thể hiện ở hình (4.2): Hình 4.2. Thành phần hydrocacbon khi thay đổi nhiệt độ Từ hình vẽ ta thấy, đối với các hydrocacbon nhẹ như CH4, C2H6, C3H8 khi nhiệt độ giảm sự ngưng tụ sẽ xảy ra nhanh. Trong khi đó các hydrocacbon nặng, ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình ngưng tụ rất bé. Có nghĩa là đối với các chất lỏng có nhiều thành phần nặng, sự gia tăng tỷ lệ chất lỏng khi giảm nhiệt độ là thấp. Để tìm hệ số cân bằng, trên đồ thị hình (4.3) ta nối hai điểm nhiệt độ và áp suất nó giao với đường biểu điễn của cấu tử nào thì đó chính là hệ số cân bằng Ki của cấu tử đó. Các giá trị cụ thể của hằng số cân bằng Ki thể hiện ở hình (4.3) sau: Hình 4.3. Biểu đồ tìm hệ số cân bằng 4.2. Tính toán kích thước bình tách Khi tính toán, giả thiết hạt có hình cầu, chuyển động của khí là ổn định, chuyển động các hạt là tự do, tốc độ lắng không thay đổi, sức kháng môi trường khí cân bằng với khối lượng hạt. - Hạt chịu một lực trọng trường: (4.16) Trong đó: + d: Đường kính hạt + : Mật độ hạt (lỏng, rắn) + : Mật độ môi trường - Lực cản do khí gây ra khi hạt rơi là: (4.17) Trong đó: + g: Gia tốc trọng trường (m/s2) + :Mật độ khí (kG/m3) + vh: Tốc độ hạt (m/s) - Tiết diện ngang của hạt, : Hệ số sức kháng của môi trường, phụ thuộc vào Re Với điều kiện cân bằng: F = R, ta có: =. = (4.18) - Ở chế độ chảy dòng, Re=1, thu được từ công thức: = (4.19) : Độ nhớt động học của khí, (m2/s) Thay (4.19) vào (4.18) ta được tốc độ lắng của hạt hình cầu trong môi trường khí: (4.20) Trong đó: + d: Đường kính hạt + h: Mật độ hạt (lỏng, rắn) + µg: độ nhớt động lực học của khí (kG/m.s) Với Re từ 2 ¸ 500, giá trị được tính bằng phương trình thực nghiệm: (4.21) (4.22) Với các giá trị Re >500, hệ số đối với hạt hình cầu có giá trị không đổi bằng 0,44 và ta có công thức Newton-Ritinger: (4.23) Vận tốc khí lớn nhất trong bình tách cho phép sự tách sương khỏi khí, được tính theo công thức Stock: (4.24) Trong đó: + vg: là vận tốc khí lớn nhất cho phép. + Fhv: là hệ số kể đến hình dáng và điều kiện làm việc của bình tách. + ρl: là khối lượng riêng của dầu, kg/m3. + ρg: là khối lượng riêng của khí, kg/m3. Giá trị của Fhv trong công thức (4.24) là một biến độc lập thực nghiệm. Giá trị Fhv phụ thuộc vào nhiều yếu tố: dạng bình tách, kích thước giọt lỏng, gia tốc trọng trường, chiều dài bình tách ngang hoặc chiều dài bình tách đứng, tỷ số khí dầu, cấu tạo bên trong bình tách. Một số giá trị Fhv được API xác định bằng thực nghiệm cho ở bảng (4.1). Bảng 4.1. Một số giá trị Fhv Dạng bình tách Cao hoặc dài m (ft) Fhv Hệ SI Hệ FPS Đứng 3.0 (10) hoặc cao hơn 0,055 – 0,107 0,18 – 0,35 Ngang Kích thước khác Fhv (L/3)0,56 Fhv (L/10)0,56 4.2.1. Đường kính bình tách Đường kính được xác định theo khả năng tách. Với bình trụ đứng: - Nếu theo khả năng tách khí thì dùng công thức: (4.25) - Nếu theo khả năng tách lỏng thì theo công thức: (4.26) Với thiết bị nằm ngang tiết diện lưu thông của khí ở phần lắng không phải là một giá trị cố định khi vận hành mà lệ thuộc vào chiều cao của mức chất lỏng. Với thiết bị tách hai pha, chiều cao này thường duy trì ở mức 1/3D và thay đổi từ 3 đến 4 in. Cho tới 60 ¸ 70% tiết diện ngang. 4.2.2. Chiều dài bình tách Chiều dài thiết bị thường tính theo tỷ số L/D, nó ảnh hưởng đến khả năng, hiệu quả tách. Tuy vậy không có quan hệ tỷ lệ thuận giữa khả năng tách và chiều dài (cao). Ví dụ với thiết bị tách đứng cao 10 ft, nếu tăng gấp đôi tới 20 ft (100%) thì khả năng tách chỉ tăng thêm 23%. Tương tự ở bình tách ngang nếu chiều dài tăng từ 10 ft đến 20 ft thì khả năng tách chỉ tăng thêm 46%. Với bình tách thẳng đứng, nếu như lưu lượng khí quyết định kích thước bình thì L/D trong phạm vi từ 2 ¸ 3; còn nếu bị chi phối bởi lưu lượng dầu thì nó thay đổi từ 2 ¸ 6. Với bình tách ngang, giá trị L/D trong phạm vi từ 2 ¸ 6, khí và lỏng quyết định đồng thời kích thước thiết bị vì trong đó cả hai chất lưu cùng chuyển động từ đầu vào cho tới đầu ra. Quan hệ giữa tỷ số L/D và Fhv cho các thiết bị tách hình trụ nằm ngang, thẳng đứng và bộ lọc khí thể hiện trên hình (4.4): 1; 2: Điều kiện làm việc không thuận lợi, điều kiện làm việc tốt nhất của thiết bị tách đứng 3; 4: Thiết bị lọc khí thẳng đứng, trong đó 3 là thiết bị chiết sương có lá chặn và 4 có bộ chiết sương bằng lưới thép. 5: Điều kiện làm việc không thuận lợi cho thiết bị tách ngang có D<24 in. 6: Điều kiện lý tưởng cho thiết bị ngang có D24 in 7: Điều kiện lý tưởng cho thiết bị ngang có D>24 in. Hình 4.4. Quan hệ giữa tỷ số L/D và hệ số Fhv Từ hình vẽ ta thấy, khi biết hai trong 3 thông số L, D, Fhv ta có thể dễ dàng xác định được thông số thứ ba. 4.3. Tính toán bền cho bình tách 4.3.1. Chiều dày bình tách Chiều dày bình tách được tính theo tiêu chuẩn nghiêm ngặt phụ thuộc vào loại thép sử dụng, áp suất thiết kế mà bình tách sẽ làm việc và đường kính bình tách được chọn cũng như công nghệ hàn được ứng dụng khi chế tạo vỏ bình. Mác thép được chọn thông dụng để chế tạo vỏ bình là thép chứa cacbon (A-515; Gr 70). Để tạo dáng và đạt được áp suất làm việc theo yêu cầu, ngày nay người ta thường sử dụng công nghệ hàn bằng tia X (hàn đơn bằng tia X hoặc hàn đôi bằng tia X). Phương pháp này có hệ số sử dụng mối nối cao (E = 0,8 ÷ 1,0). Hệ số hiệu dụng của các phương pháp thể hiện ở bảng sau: Bảng 4.2. Hệ số hiệu dụng E Phương pháp hàn đôi Phương pháp hàn đơn Hàn liền hoàn toàn bằng tia X 1,0 0,9 Hàn điểm bằng tia X 0,85 0,80 Hàn bình thường 0,7 0,65 4.3.1.1. Chiều dày thành bình (4.27) Trong đó: P : là áp suất làm việc của bình,Psi D : là đường kính của bình tách, cm E: là hệ số giảm bền do ảnh hưởng của mối hàn S: là giới hạn bền của vật liệu chế tạo bình, (S = 120 Mpa). C: là chiều dày dự phòng ăn mòn thành bình, (C = 0,3 cm). 4.3.1.2. Chiều dày đáy bình tách (4.28) Trong đó: Cσ: là chiều dày dự phòng ăn mòn đáy bình, (C = 0,42 cm) 4.3.2. Điều kiện làm việc ổn định của bình Hình 4.5. Lực tác dụng lên bình tách - Lực F tác dụng lên 2 đầu bình tách được tính theo công thức: Trong đó: F: là lực tác dụng lên 2 đầu bình tách, KN D: là đường kính của bình tách, mm P: là áp suất làm việc của bình tách, at - Diện tích chịu lực f tính theo đường kính trong của bình: (4.30) - Ứng suất cho phép của bình: (4.31) Trong đó: r: là chiều dày của bình tách, mm. Bình làm việc ổn định khi áp lực tác dụng lên thành bình cân bằng với sức căng tại mối hàn. Điều kiện ổn định: Þ (4.32) Trong đó: L: là chiều dài của bình tách, mm N: là phản lực tại mối hàn, KN Ứng suất tại mối hàn: (4.33) 4.3.3.Tính toán khối lượng, diện tích và tải trọng sàn lắp đặt 4.3.3.1. Tính toán khối lượng và diện tích sàn lắp đặt Dựa vào đồ thì thể hiện sự tương quan giữa chiều dài, chiều dày và đường kính mà ta xác định được khối lượng sàn lắp đặt là Wv. Xung quanh bình tách có hệ thống đường ống dẫn, trong đó bao gồm các đường ống dẫn chính với đường kính khoảng 4 inch và các đường ống phụ thêm vào. Vì thế không gian lắp đặt bình tách cần tính toán cho hợp lý cho cả hệ thống này. Ngoài ra, yêu cầu về hệ thống lắp đặt này bao gồm cả máy bơm, hệ thống điều khiển áp suất, mức chất lỏng trong bình,… Hình (4.6) là ước tính về diện tích mặt sàn cho các bình tách ngang. 4.3.3.2. Tính toán tải trọng tác dụng lên mặt sàn lắp đặt Bình tách được lắp đặt trên một sàn chịu tải. Sàn này phải chịu được tải trọng của bình tách trong quá trình làm việc cũng như khi thử thuỷ lực. Vì thế cần phải xác định tải trọng tối đa mà sàn có thể chịu được. Theo ASME tải trọng tối đa có thể coi như là khối lượng nước trong bình Ww cộng với khối lượng của bình tách: (kg) (4.34) Trong đó: : Tải trọng tối đa của bình tách : Khối lượng của bình tách V: Thể tích bình tách 4.4. Tính toán công nghệ và chọn bình tách trụ ngang tại giàn CTP-2 mỏ Bạch Hổ Ta có bài toán công nghệ với bình tách trụ ngang có các thông số: - Mực chất lỏng 50% được sử dụng để tách khí khỏi dầu có độ nhớt 10 cp - Khối lượng riêng của dầu: ρl = 833 kg/m3 - Khối lượng riêng của khí: ρg = 1,034 kg/m3 - Lưu lượng dầu: Qd = 5000 tấn/ngày đêm - Đường kính hạt khí là: d = 250 µm Tính kích thước bình tách Theo kinh nghiệp đối với bình tách trụ ngang tỷ số giữa chiều dài trên đường kính: L/D trong phạm vi từ 2 ÷ 6. Ta chọn L/D = 4 Đường kính hạt khí: d = 250 µm = 250.10-6 m Độ nhớt động lực học của khí: µg = 10 cp = 0,01 kg/m.s - Vận tốc nổi lên của các bọt khí xác định theo công thức (4.17): - Lưu lượng dầu: Qd = 5000 tấn/ngày đêm - Diện tích tiết diện cần thiết để khử khí khỏi dầu: Với bình tách ngang, tiết diện cần thiết để khử khí khỏi dầu có dạng hình chữ nhật nên: S = L.D = 4.D2 = 24,82 (m2) D = 2,5 (m) L = 10 (m) Từ các số liệu trên và ta dựa vào bảng catalog bình tách của Schlumberger (xem phụ lục số 1) ta chọn kích thước của bình tách ngang như sau: - Chiều dài của bình: L = 7,5 m (24,6 ft). - Đường của bình: D = 2,95 m (9,68 ft). Þ Thể tích của bình tách: - Kích thước đường vào (Inlet) : 6-in Fig 1002. - Kích thước đường khí ra (Gas Outlet) : 6 - in Fig 206. - Kích thước đường xả dầu (Oil Outlet) : 3 - in Fig 602. - Kích thước đường xả nước (Water Outlet) : 3 - in Fig 602. - Kích thước đường xả cặn (Sand-Jet Line) : 3 - in Fig 602. - Áp suất làm việc của bình: 9,928 Kpa (1,44 psi). - Nhiệt độ làm việc của bình: -200C đến 1490C (-40F đến 3000F) Tính toán cân bằng pha Bảng 4.3. Các thành phần dầu mỏ trong mỏ Bạch Hổ STT Cấu tử Thành phần dầu vỉa % mol (zi) Hệ số cân bằng (Ki) Thành phần lỏng (xi) Thành phần hơi (yi) 1 N2 0,292 86,90 0,006 0,519 2 CO2 0,093 6,77 0,002 0,149 3 C1 46,193 16,26 4,860 78,976 4 C2 8,636 2,87 4,228 12,312 5 C3 5,423 0,98 5,757 5,158 6 IC4 1,479 0,40 2,226 0,886 7 NC4 2,308 0,30 3,871 1,140 8 IC5 0,870 0,14 1,671 0,235 9 NC5 0,991 0,11 1,692 0,221 10 C6 1,298 0,05 2,760 0,139 11 C7 32,417 0,006 72,727 0,445 Theo công thức (4.15) ta có. Mà Ta cho giá trị của i chạy từ 1 đến 11, khi đó sẽ có giá trị tương ứng của zi và Ki như trên bảng và thay số vào ta có: Þ G = 0,55 Þ L = 0,45 Do vậy ta có h/d = 0,45 Bảng 4.3. Hệ số F của bình tách. h/d F h/d F 0,00 1,000 0,30 0,748 0,05 0,981 0,35 0,688 0,10 0,948 0,40 0,626 0,15 0,906 0,45 0,564 0,20 0,858 0,50 0,500 0,25 0,804 0,55 0,436 Tra bảng ta được F = 0,564 Lưu lượng khối lượng: Kp : là hệ số khí hòa tan trong dầu, (Kp= 1,0565.10-5 m3/m3.Pa). P : là áp suất làm việc của bình tách, at. ρl, ρg : lần lượt là khối lượng riêng của dầu và khí, kg/m3. Γ : là tỷ lệ khí trong hỗn hợp, (Γ = 170,5). Tính toán bền cho bình tách - Chiều dày thành bình tính theo công thức (4.27) - Chiều dày đáy bình tách tính theo công thức (4.28) Từ đây ta chọn chiều dày chung của bình tách khi tính toán là: r = 2.2 (cm) - Lực tác dụng lên 2 đầu bình tách, áp dụng công thức (4.29) ta có: - Diện tích chịu lực, áp dụng công thức (4.30) ta có: - Ứng suất cho phép, áp dụng công thức (4.31) ta có: - Phản lực tại mối hàn, áp dụng công thức (4.32) ta có: - Ứng suất tại mối hàn, áp dụng công thức (4.33) ta có: Ta thấy σbt << σmh. Như vậy khi tính toán bền cho bình tách ta tính theo σmh. Tính toán khối lượng, diện tích và tải trọng sàn lắp đặt Ta có các kích thước của bình như sau: + Chiều dài: L = 7,5 m = 24,6 ft + Đường kính: D = 2,95 m = 9,68 ft + Chiều dày: r = 2,2 cm = 0,87 in Ta có sự tương quan giữa chiều dày, chiều dài và đường kính của bình tách: Hình 4.6. Sự tương quan giữa chiều dày, chiều dài và đường kính Dựa vào sự tương quan giữa chiều dày, chiều dài và đường kính của bình tách ta có : + Khối lượng bình tách : Wv = 50789 (lb) = 23000 (kg). + Diện tích sàn lắp đặt : S = 854 (ft2) = 83 (m2). Tải trọng mà sàn phải chịu là WW áp dụng công thức (4.34) ta có : Như vậy trọng lượng mà sàn phải chịu là Sàn chịu tải trọng phân bố là : (tấn/m2) Từ việc tính toán công nghệ và chọn bình tách ngang trên giàn CTP-2, ta chọn được bình tách với những thông số như trên phù hợp với điều kiện làm việc của giàn. CHƯƠNG 5 CÔNG TÁC AN TOÀN ĐỐI VỚI BÌNH TÁCH DẦU KHÍ 5.1. Các sự cố thường gặp và biện pháp khắc phục Trong quá trình làm việc của bình tách thường xảy ra 3 sự cố chính: 1: Chất lỏng bị cuốn ra ngoài theo khí. 2: Mực chất lỏng không ổn định. 3: Quá tải lỏng. 5.1.1. Trường hợp chất lỏng bị cuốn ra ngoài theo khí Bảng 5.1. Nguyên nhân và cách khắc phục trường hợp bị cuốn ra ngoài theo khí Nguyên nhân Biện pháp khắc phục Lưu lượng khí vào dư nhiều. Kiêm tra lại lưu lượng khí, chỉnh lại theo thiết kế. Mực lỏng lên vùng khí chưa tách. Kiểm tra mực chất lỏng, chỉnh lại thấp hơn thiết kế. Các thiết bị tách bên trong bị kẹt do bụi và nước. Kiểm tra lại nhiệt độ và áp suất tính theo lượng nước được tạo ra. Sóng mạnh ở vùng chất lỏng. Do áp suất nhỏ hơn 0,1 Bar. Kiểm tra lại hay cài thêm màng chắn ngang. Áp suất hoạt động lớn hơn áp suất thiết kế. Kiểm tra áp suất hoạt động, tăng lưu lượng khí. Tỷ trọng chất lỏng (OAPI) cao hơn thiết kế. Giảm lưu lượng khí theo tỷ trọng. 5.1.2. Trường hợp chất lỏng không ổn định - Phao bị bao phủ hoàn toàn bởi chất lỏng, để xử lí ta phải thổi ra đường ống chia độ để lấy mức đo chính xác. Nếu thùng đo ở ngoài thì cần thổi chìm phao xuống xem phao có bị kẹt không. Khi ống đo mức chất lỏng và phao kiểm tra xong thì xem phao có bị chìm không, thường xuyên rút chất lỏng ra để phao ngập 1/2, nhập mực chất lỏng cho các bộ điều khiển. - Mực chất lỏng thấp dưới phao: Kiểm tra xem phao có bị kẹt không, đóng van tháo lỏng để van chìm 1/2. - Van điều khiển chất lỏng không làm việc, cần tiến hành các biện pháp sau: + Kiểm tra lại sự hoạt động của van xem đóng mở có đúng không. + Vặn van đóng mở hoàn toàn xem có trở lực không. + Kiểm tra lưu lượng lỏng để xác định trở lực trong đường ống. - Phao bị lắc do song: Lắp giá bảo vệ phao luôn cân bằng để phao làm việc ổn định. - Bộ điều khiển mức chất lỏng không tương ứng: Bị thay đổi mực chất lỏng có thể do bộ điều khiển hỏng, phao thủng hoặc chất lỏng ở dưới phao. Ta phải đóng mở van để chất lỏng dao động bằng chiều dài của phao, nếu bộ điều khiển không tương ứng sẽ làm rơi phao. 5.1.3. Trường hợp quá tải chất lỏng Bảng 5.2. Nguyên nhân và cách khắc phục đối với trường hợp quá tải chất lỏng Nguyên nhân Cách khắc phục Lưu lượng các dòng cao. Chỉnh lại đúng thiết kế. Nhiệt độ thấp hơn thiết kế. Tăng nhiệt độ tách. Bộ ngưng tụ, bộ lọc bị tắc. Kiểm tra áp suất rơi (sụt áp) hoặc phục hồi sửa chữa, tẩy rửa bộ ngưng tụ hoặc thay thế. 5.2. Quy phạm an toàn, kiểm tra bình tách theo tiêu chuẩn Việt Nam Việc vận hành các thiết bị phải tuân theo các quy trình công nghệ và các hướng dẫn về an toàn: - Việc vận hành các thiết bị phải tuân theo các yêu cầu trong “Quy trình lắp đặt thiết bị và an toàn sử dụng các bình cao áp” đã được cơ quan giám sát kỹ thuật Liên Xô phê duyệt, đó là các quy tắc an toàn trong các lĩnh vực công nghiệp. - Việc vận hành các thiết bị không được vượt quá các thông số đã ghi trong các hướng dẫn sử dụng thiết bị, nếu sử dụng khác đi phải được sự phê duyệt của bộ phận nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật. - Thiết bị phải đầy đủ các bộ phận an toàn như ghi trong tài liệu và hướng dẫn đính kèm. - Thiết bị phải ngừng hoạt động trong các trường hợp: + Áp suất vượt quá mức cho phép + Hỏng van an toàn + Hỏng áp kế và không thể xác định + Các bulông gia cố mặt bích bị hỏng hoặc không đủ số lượng yêu cầu + Các đồng hồ đo chỉ báo, thiết bị điều chỉnh bị hỏng, hoạt động không ổn định. - Không được sửa chữa thiết bị dưới áp suất cao - Việc xả khí từ thiết bị ra ngoài chỉ được thực hiện qua đường xả ra đuốc, nghiêm cấm việc xả ra khe hở mặt bích. - Để kiểm tra tốc độ ăn mòn của thiết bị cần tiến hành đo độ dày ít nhất 2 năm một lần bằng biện pháp kiểm tra không phá huỷ. 5.3. Một số biện pháp nâng cao hiệu qủa sử dụng bình tách 5.3.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tách Một thiết bị tách có hiệu quả, được xem là hoàn thiện về kỹ thuật khi không để thoát các bọt khí cũng như các giọt dầu theo đường xả, thời gian lưu giữ chất lỏng thấp, tiêu hao kim loại ít, thiết bị phải tạo được cân bằng pha. Ngoài ra, bề mặt tiếp xúc khí - dầu cũng là một thông số quan trọng, giảm thời gian đạt tới trạng thái cân bằng và tránh sự thoát các bọt khí theo đường lỏng. Việc tách khí có hiệu quả khi hỗn hợp được phân tán tốt, tạo ra các giọt dầu có kích thớc 1- 2 mm và sẽ được giữ lại ở bộ phận chiết sương. Kích thước này là một hàm số của tỷ số giữa sức căng bề mặt d và hiệu số mật độ Dp: d/Dp. Khả năng tách khí của thiết bị phụ thuộc vào các yếu tố: - Thiết bị tách: chiều dài, đường kính, thiết kế và bố trí bên trong, số bậc tách, áp suất và nhiệt độ vận hành, mức chất lỏng và điều kiện vật lý của thiết bị nói chung cũng như các chi tiết cấu thành. - Tính chất của chất lưu bao gồm: tính chất lý hoá, mật độ r, độ nhớt m, hệ số cân bằng K…, tỷ lệ khí lỏng, kích thước giọt dầu đi vào bộ chiết sương, dòng chảy của chất lỏng giếng: ổn định hoặc rối loạn, hàm lượng tạp chất, xu hướng tạo bọt. Tính chất lý hoá của dầu và kích thước gọt dầu khó nhận biết một cách chính xác. Khi tính toán khả năng và kích thước thiết bị tách thường căn cứ vào tài liệu thực nghiệm hoặc giả định theo cách so sánh hoặc kinh nghiệm. 5.3.2. Các biện pháp nâng cao hiệu quả sử dụng bình tách Từ các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả bình tách ta đa ra các phương pháp để nâng cao hiệu quả sử dụng như sau: Khử nhũ trên đường ống trước khi hỗn hợp dầu khí đi vào bình tách Dầu khai thác lên sau giai đoạn tách nước cơ bản vẫn còn lại một lượng nước nào đó dưới dạng nhũ. Thành phần nước chủ yếu là nước vỉa, có chứa các muối khoáng khác nhau như là NaCl, CaCl2, MgCl2…và các tạp chất cơ học. Mặt khác sau khi tách nước cơ bản vẫn còn khí hữu cơ trong dầu như: CH4, C2H6, C3H8, C4H10; và khí vô cơ như: H2S, CO2, He. Hàm lượng nước và dung dịch nước của các muối khoáng làm tăng chi phí vận chuyển tạo thành các nhũ tương bền vững gây trở ngại cho việc chế biến dầu làm han rỉ đường ống và thiết bị vì vậy phải xử lý dầu để đạt tiêu chuẩn thương mại. Nhiệm vụ chủ yếu là tách nước và tách muối và hơn nữa thì đa số muối trong nước vỉa là muối hoà tan nên chủ yếu là tách nước. Nước tồn tại trong dầu tới thời điểm này chủ yếu dưới dạng nhũ. Nhiệm vụ chủ yếu là tách nước và tách muối và hơn nữa thì đa số muối trong nước vỉa là muối hoà tan nên chủ yếu là tách nước. Nước tồn tại trong dầu tới thời điểm này chủ yếu dới dạng nhũ mà phổ biến là nhũ tương nghịch (nước trong dầu) nên trọng tâm của việc tách nước là khử nhũ tương nghịch. Các giải pháp xử lý (khử nhũ, tách nước) bao gồm: - Giải pháp cơ học: lắng, ly tâm - Giải pháp nhiệt - Giải pháp điện - Giải pháp hoá học. Trong đó giải pháp hoá học là phổ biến nhất vì có hiệu quả cao. Bản chất của nó là dùng các chất khử nhũ, là các chất hoạt tính bề mặt nhân tạo có hoạt tính cao hơn các hoạt chất bề mặt có trong tự nhiên. Mục tiêu cuối cùng là dầu phải đạt tiêu chuẩn thương mại như trong bảng sau: Bảng 5.3. Các chỉ tiêu dầu đạt tiêu chuẩn thương mại Các chỉ tiêu Định mức theo nhóm dầu 1 2 3 Hàm lợng nước, % trọng lợng 0,5 1,0 1,0 Muối clo, mg/lít 100,0 300,0 1800,0 Tạp chất cơ học, % trọng lượng 0,05 0,05 0,05 Áp lực hơi bão hoà tại điểm cấp, Pa (mmHg) 66650 (300) 66650 (300) 66650 (300) Dầu thương mại trước khi tới nhà máy chế biến lại phải khử nước đến 0,1 mg/lít và muối tới 5 mg/lít hoặc thấp hơn. Ta đi vào nội dung của từng phương pháp: - Khử nhũ trên đường ống bằng hoá chất. Đó là đa chất khử nhũ vào trong đường ống (nâng, thu gom) trước trạm xử lý để tăng năng suất và chất lượng làm việc của trạm, tăng khả năng vận chuyển của hệ thống thu gom. Khi chảy trên đường ống thì chất khử nhũ có điều kiện và thời gian hòa trộn, khử lớp bảo vệ và tách nhũ thành 2 pha dầu nước. Quá trình này có vẻ đơn giản nhưng thực chất rất là phức tạp. Việc khử nhũ trên đường ống còn tăng việc chống già hoá của nhũ, tạo cho việc khử nhũ dễ dàng khi nhũ còn mới hình thành. - Phương pháp kết lắng và phân ly trọng lực Trong các bể lắng - chứa, dầu được phân dòng đều theo tiết diện bể từ phía dưới, nổi qua một lớp nước, thực hiện quá trình rửa, keo tụ. Dầu nổi lên phía trên cùng của bể và nước lắng xuống phía dới. - Phương pháp nhiệt hoá Các phương pháp khử nhũ không đốt nóng và không dùng hoá chất trong nhiều trường hợp, nhất là với dầu có độ nhớt cao, dầu nặng, dầu có nhựa và parafin sẽ kém hiệu quả. Vì vậy, khoảng 80% sản lượng dầu khai thác có ngậm nước đã được xử lý bằng phương pháp nhiệt hoá. Phương pháp đáp ứng đợc sự thay đổi hàm lượng nước trong một phạm vi rộng, có thể thay đổi dễ dàng chất khử nhũ và chế độ làm việc cho phù hợp với tính chất của nhũ, hạn chế được sự tổn hao của các thành phần nhẹ. Các loại dầu nặng và dầu nhớt thì khử nhũ trên đường ống kèm theo nhiệt hoá là hợp lý nhất để tách muối và nước. Với dầu mật độ trung bình 0,83 ÷ 0,85, độ nhớt trung bình 10 ÷ 15 cp và độ ngậm nước tới 40% thì có thể không cần xử lý trên đường ống mà chỉ cần xử lý bằng nhiệt hoá. + Phương pháp lọc và rửa Thực tế cho thấy các nhũ tương dầu kiểu nghịch không ổn định hoặc độ ổn định trung bình sẽ bị phá huỷ khi đi qua lớp lọc rắn háo nớc chế tạo từ sỏi, dăm, kính vụn, các quả cầu polimer, phoi gỗ, phoi kim loại… Sự khử nhũ dựa vào hiện tượng ẩm ớt lựa chọn, đi vào với sự hấp thụ. Khi tương tác giữa các phân tử chất lỏng với các phân tử chất rắn mạnh hơn giữa các phân tử lỏng với nhau thì chất lỏng sẽ loang theo bề mặt và tẩm ớt chất rắn. Tuỳ theo tính chất rắn - lỏng, sự ẩm ướt có thể toàn phần, từng phần hoặc không ẩm ướt. Chất lỏng bôi trơn vật rắn càng mạnh khi tương tác giữa các phân tử của chúng càng yếu. Các chất lỏng không phân cực như dầu với sức căng bề mặt bé thường tẩm ướt bề mặt rắn rất tốt. Nước vốn là chất phân cực, có sức căng bề mặt tốt hơn và chỉ tẩm ớt một số chất rắn nhất định như: thạch anh, thuỷ tinh. Vật liệu lọc từ chất rắn dùng khi khử nhũ phải thoả mãn một số điều kiện sau: + Phải có tính tẩm ướt tốt, có khả năng tạo liên kết các vật liệu thấm với các giọt nước, phá huỷ màng ngăn cách giữa các pha của nhũ và tạo điều kiện cho nước kết dính. + Có độ bền đầy đủ, có thể sử dụng lâu dài và ít phải thay thế. - Phương pháp khử nhũ bằng điện trường Dùng tách muối ra khỏi dầu nặng, dầu trung bình và thường được bố trí sau giai đoạn tách lắng và phân ly trọng lực. Dưới tác dụng của điện trường thì các giọt nước chuyển động đồng pha với trường điện chính và ở mọi thời điểm chúng luôn ở trạng thái dao động, chúng bị biến dạng liên tục, hình dáng luôn thay đổi thuận lợi cho việc phá huỷ và sự kết dính của các giọt. Ngoài ra người ta còn sử dụng phương pháp khử nhũ bằng tĩnh điện rất hiệu quả. - Khử nhũ theo cơ chế sủi bọt Đó là nhờ vào sự tách khí của các giọt dầu khi nổi qua một đệm nước. Khi nhũ chuyển động từ đáy bể đi lên nói riêng, cũng như qua hệ thống thu gom, thiết bị xử lý dầu nước nói chung thì áp suất sẽ giảm từ từ làm cho các bọt khí trong dầu được hình thành, giãn nở tăng kích thước, xích lại gần nhau, kết dính tăng kích thước giọt và dần dần tách ra khỏi dầu. Quá trình này không xảy ra với các giọt nước vì rằng lượng khí hoà tan trong nước không đáng kể, gần như các bọt khí không tồn tại trong nước. - Xử lý lắng đọng parafin Việc xử lý lắng đọng parafin góp phần tăng hiệu quả tách của bình tách. Công việc này trước hết phải tổ chức công tác vận chuyển sau đó mới xử lý khi bề dày lắng đọng đạt giới hạn và phương pháp khử phụ thuộc vào đường ống và thành phần lớp lắng đọng. Các yếu tố chính ảnh hưởng tới quá trình lắng đọng parafin bao gồm chất lượng đường ống, áp suất và tốc độ vận chuyển, nhiệt độ môi trường và tính chất của dầu. Ta đa ra các phương pháp vận chuyển dầu nhiều parafin: + Duy trì áp suất cao 10 at ÷ 15 at trên ống thu gom để hạn chế việc tách khí và tốc độ chảy cao để gây động lực để ngăn cản sự lắng đọng. + Giải pháp nhiệt là giải pháp phổ biến với nguyên tắc là duy trì dầu ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ đông đặc của parafin. + Vận chuyển dầu cùng khí hoặc nước + Giảm độ nhám và khả năng bám dính của ống, khi chế tạo thì sơn một lớp hoặc tráng thuỷ tinh. + Pha loãng dầu, đây là phương pháp giảm tổn hao áp suất, giảm độ nhớt và tăng tốc độ vận chuyển và giảm nồng độ parafin. + Sử dụng hoá chất, đó là các hoạt chất bề mặt ngăn cản sự hình thành nhũ tương dầu, thành ống sẽ tiếp xúc với nước chứ không phải dầu. + Sử dụng các giải pháp hỗn hợp như: nhiệt hoá, nhiệt từ. Xử lý lắng đọng parafin: + Giải pháp cơ học: Dùng máy cào, máy nạo hoặc thoi đẩy + Dùng dung môi hoà tan: Dùng CHCl3 hoặc CS2 cùng với nước và bơm vào đường ống. + Dùng chất phân tán: Không có tác dụng hoà tan nhưng có tác dụng tăng độ phân tán của lắng đọng. + Giải pháp nhiệt: Chủ yếu dùng nước nóng để tuần hoàn và chỉ tiến hành khi sự lắng đọng ở mức độ thấp. - Phải tiến hành phân loại dầu cũng như nắm rõ về tính chất lý hoá của dầu như: độ nhớt, nhiệt độ đông đặc, sức căng bề mặt, độ dẫn nhiệt…,từ đó bố trí thiết bị tách hợp lý để đạt hiệu quả tách cao nhất. - Thực hiện tốt các quy trình công nghệ của thiết bị tách. Từ việc tính toán bình tách (chiều dài, đường kính, bố trí lắp đặt bên trong bình tách…) tới điều kiện vật lý nơi lắp đặt, áp suất và nhiệt độ vận hành, số bậc tách… - Thực hiện tốt công tác bảo dưỡng bình tách như trong quy trình bảo dưỡng bình tách. KẾT LUẬN Các chất lưu ra khỏi miệng giếng cần được tách - lọc, gom chúng lại và cần được xử lý cho tới khi đạt tới tiêu chuẩn thương mại và môi sinh. Việc tách pha lỏng - khí được thực hiện trong suốt quá trình thu gom. Yêu cầu đặt ra cho công tác thu gom là giảm lượng thất thoát do bay hơi và rò rỉ. Tách pha khí lỏng phải triệt để (tách sâu) làm sạch các chất lưu dầu - khí đạt tới giá trị thương mại và tiêu chuẩn môi sinh cao nhất. Khả năng tách pha lỏng - khí phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, tính chất của chất lưu. Nguyên tắc của tách pha chủ yếu là ta đi điều khiển nhiệt độ và áp suất tách. Sản phẩm từ miệng giếng đầu tiên sẽ chảy tới trạm thu gom đầu nguồn (thường gọi là trạm tách - đo). Tại đây Hydrocacbon lỏng và khí được tách riêng: (tách hai pha), nếu chất lỏng có nhiều nước thì phải tách ba pha: khí, dầu, nước. Từ các trạm đầu nguồn, chất lưu được chuyển về trạm trung tâm. Tại đây thực hiện quá trình tách pha sâu với áp suất thấp. Đồng thời có thể tiến hành xử lý sơ bộ các pha khí nước. Cuối cùng, chất lưu được chuyển về trạm cuối nguồn để xử lý các pha một cách triệt để. Việc tách pha ngay đầu miệng giếng là khâu quan trọng nhất, và dùng các thiết bị tách: Thiết bị tách khai thác thường, chuyên dụng. Trạm thu gom (cụm đầu giếng): có nhiều thiết bị tách và phải tiến hành tách theo bậc, và phải đảm bảo quá trình tách là hiệu quả và triệt để nhất. Một số kiến nghị: Trong hệ thống khai thác, thiết bị tách pha là một thiết bị quan trọng và không thể thiếu được. Trong đồ án chỉ nêu khái quát chung cũng như hệ thống đã sử dụng ở mỏ Bạch Hổ. Để tăng hiệu quả tách pha cần phải tiến hành thí nghiệm: tính toán số bậc, tính toán lượng khí tách ra ở mỗi bậc. So sánh về mặt kinh tế hiệu quả số lượng lỏng thu được và việc lắp thêm các bình tách. Hà nội, ngày 04 tháng 05 năm 2011 Sinh Viên Nguyễn Văn Cường B TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] - Nguyễn Văn Thịnh, Bài giảng thiết bị xử lý sản phẩm khai thác dầu khí, trường Đại Học Mỏ Địa Chất. [2] - Lê Xuân Lân (2005), Giáo trình thu gom, xử lý Dầu - Khí - Nước, trường Đại Học Mỏ Địa Chất. [3] - Lê Xuân Lân (1998), Lý thuyết khai thác tài nguyên lỏng khí, Đại học Mỏ - Địa chất. [4] - A.P.SZILAS (1985), Production and Transport of Oil and Gas, Akademiai Kiado Budapest. [5] - Tarek Ahmed (1989), Hydrocacbon Phase Behavior. [6]- Alidanesh (1998), PVT and Phase behavior of petroleum reservoir fluids [7] - Michael J Economides (1994), Petroleum Production Systems PTR Prentice Hall. [8] - Campbell Petroleum Series, Gas Conditioning and Processing, Printed and Bound in USA. MỤC LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ STT SỐ HÌNH VẼ TÊN HÌNH VẼ TRANG 1 Hình 1.1 Toàn cảnh hệ thống khai thác dầu khí 2 2 Hình 1.2 Sơ đồ thu gom hở và kín 4 3 Hình 1.3 Hệ thống các thiết bị tách dầu khí 9 4 Hình 2.1 Bình tách hình trụ đứng 2 pha 16 5 Hình 2.2 Bình tách hình trụ đứng 3 pha 16 6 Hình 2.3 Bình tách hình trụ đứng 3 pha sử dụng lực ly tâm 17 7 Hình 2.4 Bình tách hình trụ nằm ngang 2 pha 18 8 Hình 2.5 Bình tách hình trụ nằm ngang 3 pha 18 9 Hình 2.6 Bình tách hình cầu 2 pha 19 10 Hình 2.7 Bình tách hình cầu 3 pha 19 11 Hình 2.8 Sơ đồ bình tách 2 pha trụ đứng 23 12 Hình 2.9 Sơ đồ tách cơ bản kiểu cửa vào hướng tâm 23 13 Hình 2.10 Sơ đồ tách cơ bản bằng lực ly tâm 24 14 Hình 2.11 Bộ phận chiết sương kiểu đồng tâm 26 15 Hình 2.12 Bộ phận chiết sương kiểu ban chớp 26 16 Hình 2.13 Bộ phận chiết sương dạng cánh 27 17 Hình 2.14 Bộ lọc sương 28 18 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống thu gom giàn cố định 30 19 Hình 3.2 Sơ đồ thu gom kín ở giàn nhẹ 31 20 Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống xử lý khí đồng hành ở giàn trung tâm 32 21 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển của bình C1 36 22 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý điều khiển của bình C2 37 23 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý điêu khiển của bình C3 39 24 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý điều khiển của bình C4 40 25 Hình 3.8 Sơ đồ cấu tạo bình tách dầu – khí dạng đứng 43 26 Hình 3.9 Sơ đồ cáu tạo bình tách dầu – khí dạng ngang 44 27 Hình 3.10 Bình tách câp 1 có hệ thống thu gom xử lý khí sơ bộ 44 28 Hình 3.11 Sơ đồ cấu tạo bình tách có hệ thống thải nước sơ bộ 46 29 Hình 3.12 Sơ đồ cấu tạo bình tách bậc cuối 47 30 Hình 3.13 Sơ đồ bình tách 2 tầng kiểu xoáy 47 31 Hình 4.1 Biến thiên hằng số Ki theo áp suất 51 32 Hình 4.2 Thành phần hydrocacbon khi thay đổi nhiệt độ 52 33 Hình 4.3 Biểu đồ tìm hệ số cân bằng 53 34 Hình 4.4 Quan hệ giữa tỷ số L/D và hệ số Fhv 57 35 Hình 4.5 Lực tác dụng lên bình tách 58 36 Hình 4.6 Tương quan giữa chiều dài, chiều dày và đường kính 64 DANH MỤC BẢNG BIỂU STT SỐ HIỆU BẢNG TÊN BẢNG TRANG 1 Bảng 1.1 Thông số làm việc của các giàn tách khí sơ bộ trên các giàn nhẹ 7 2 Bảng 1.2 Các thông số của bình tách áp lực trên giàn cố định 8 3 Bảng 2.1 So sánh sự thuận lợi và không thuận lợi của các loại bình tách. 20 4 Bảng 4.1 Một số giá trị của Fhv 54 5 Bảng 4.2 Hệ số hiệu dụng E 56 6 Bảng 4.3 Bảng các thành phần dầu mỏ trong mỏ Bạch Hổ 59 7 Bảng 4.2 Hệ số F của bình tách 60 8 Bảng 5.1 Nguyên nhân và cách khắc phục trường hợp bị cuốn ra ngoài theo khí 63 9 Bảng 5.2 Nguyên nhân và cách khắc phục đối với trường hợp quá tải chất lỏng 64 10 Bảng 5.3 Các chỉ tiêu dầu đạt tiêu chuẩn thương mại 66 1 inch (in) = 25,4 mm 1 foot (ft) = 0,305 m 1 pound = 4,54 N 1 oC = 33,8 oF = 274,15 oK 1 m3 = 61023,74409 inch3 = 6,28981077 thùng dầu. 1 m/s = 11811,02362 foot/h = 196,8053939 foot/phút = 2,236936292 dặm/h. 1 foot2 = 144 inch2 = 0,09290304 m2 = 3,587006428 dặm2. 1 at = 1,01325 Bar = 1,033227453 kg/cm2 = 101,325 Kpa = 2116,216624 pound/foot2= 101,325 KN/m2 = 760 mmHg = 14,69594878 Psi BẢNG QUY ĐỔI VÀ CÁC ĐƠN VỊ ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN