NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ TÁCH PHA, TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CHO BÌNH TÁCH

Ngành công nghiệp dầu khí Việt Nam tuy còn non trẻ nhưng đã không ngừng vươn lên và đã trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn của đất nước.

LỜI MỞ ĐẦU

Nghành công nghiệp dầu khí Việt Nam tuy còn non trẻ nhưng đã khôngngừng vươn lên và đã trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn của đất nước Hiệnnay có rất nhiều công ty dầu khí nước ngoài cùng với các công ty trực thuộc Tậpđoàn dầu khí quốc gia Việt Nam đang tham gia vào các dự án đầu tư trong nước vàquốc tế, bên cạnh đó là nhà máy lọc hoá dầu Dung Quất đang đi vào hoạt động cùngvới dự án nhà máy lọc dầu Nghi Sơn đang được khởi công xây dựng, đã khẳng địnhmột tiềm năng phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp dầu khí Việt Nam

Dầu thô được khai thác trên các mỏ của Viêt Nam là dầu có hàm lượng parafintương đối cao, độ nhớt , nhiệt độ đông đặc cao nên việc khai thác vận chuyển gặpnhiều khó găn đòi hỏi phải sử lý nhiều sự cố kỹ thuật xảy ra trên đường ống vậnchuyển Với mục đích áp dụng lý thuyết và thực tế sản xuất trong quá trình thugom, vận chuyển hỗn hợp dầu khí, được sự đồng ý của bộ môn Thiết bị dầu khí và

công trình , trường đại học Mỏ – Địa chất em đã được giao đề tài “NGHIÊN CỨU

THIẾT BỊ TÁCH PHA, TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CHO BÌNH TÁCH” trong đề tài này, việc nghiên cứu các thiết bị tách pha thực chất là đi

nghiên cứu các bình tách trong giai đoạn tách sơ bộ dầu thô từ vỉa, nhằm đáp ứngnhu cầu công nghệ cho hệ thống thu gom và xử lý Mục đích cơ bản của đề tài làtìm ra các thông số kỹ thuật cơ bản của bình tách như: kích thước, thời gian lưu,tính toán bền, khối lượng bình, diện tích mặt sàn lắp đặt Bên cạnh đó nghiên cứucác phương pháp tách dầu từ hỗn hợp khí, cấu tạo của thiết bị bình tách dầu khí,nguyên lý hoạt động, các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả, công suất tách của bìnhtách dầu khí, đưa ra các phương pháp nhằm nâng cao hiệu quả cho thiết bị tách.Được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo Lê Đức Vinh và các thầy trong bộ mônThiết bị dầu khí và Công trình, và với sự giúp đỡ của các cán bộ trong Xí nghiệpkhai thác thuộc XNLD Vietsovptro, cùng với những nổ lực của bản thân em đãhoàn thành bản đồ án này, tuy nhiên kinh nghiệm cũng như thời gian và mức độ tàiliệu còn nhiều hạn chế nên đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, emrất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo bộ môn Thiết bị dầu khí và Côngtrình, các bạn cùng lớp và lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo Lê Đức Vinh đãhướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn !

Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Tiến

CHƯƠNG I – CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ VIỆT NAM, HỆ THỐNG THU

GOM DẦU KHÍ TRÊN GIÀN CỐ ĐỊNH MSP 1.1 Sự hình thành và phát triển của nghành công nghiệp dầu khí Việt Nam và ở Xí nghiệp liên doanh Vietsovpetro.

Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam được hình thành theo quyết định số198/2006/QĐ-TTg ngày 29/8/2006 của thủ tướng chính phủ Hiện nay với hơn 50đơn vị thành viên và các công ty liên doanh, lực lượng lao động hơn 22.000 người

và doanh thu năm 2006 đạt 174.000 tỷ đồng Tập đoàn Dầu khí Việt Nam hoạt độngtrong lĩnh vực dầu khí và các lĩnh vực khác không chỉ ở lãnh thổ trong nước mà cảnước ngoài

Kết quả tìm kiếm cho tới nay đã xác định được các bể trầm tích Đệ Tam cótriển vọng dầu khí: Sông Hồng, Phú Khánh, Cửu Long, Nam Côn Sơn, Malay-ThổChu, Tư Chính-Vũng Mây, nhóm bể Trường Sa và Hoàng Sa trong đó các bể SôngHồng, Cửu Long, Nam Côn Sơn, Malay-Thổ Chu là đã phát hiện và đang khai thác.Đến nay đã kí trên 57 hợp đồng dầu khí trong đó có 35 hợp đồng đang có hiệu lựcvới các tập đoàn dầu khí quốc tế: Hợp đồng phân chia sản phẩm (PSC), hợp đồnghợp tác kinh doanh (BCC), hợp đồng điều hành chung (JOC)… với tổng đầu tư 7 tỷđô-la.Với khoảng 600 giếng tìm kiếm, tổng số mét khoan 2 triệu km Phát hiện khítại giếng Đông Quan D-1X, vùng trũng Hà Nội, phát hiện dầu khí tại giếng RồngTre-1X…đã góp phần làm gia tăng trữ lượng dầu quy đổi khoảng từ 30-40 triệu tấn/năm

Bên cạnh đó Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam còn mở rộng ký kết cáchợp đồng tìm kiếm thăm dò khai thác ở nước ngoài như: Lô Madura 1 và 2 ởInđônêxia, lô PM 304 và SK-305 ở Malayxia… và còn tìm kiếm các cơ hội ở cácnước khác thuộc khu vực châu Phi, Nam Mỹ…

Hiện nay đang khai thác tại 9 mỏ trong và ngoài nước: Bạch Hổ, Rồng, ĐạiHùng, PM3-CAA/Cái nước, Hồng Ngọc, Rạng Đông, Lan Tây-Lan Đỏ, Tiền Hải C,

Sư Tử Đen, Rồng Đôi, Rồng Đôi Tây, Cendoz thuộc lô PM-304 ở Malayxia

Sản lượng khai thác trung bình của tập đoàn khoảng 350.000 thùng dầuthô/ngày và 18 triệu m3 khí/ngày, tính tới hết tháng 12/2006 đã khai thác trên 235triệu tấn quy dầu trong đó dầu thô đạt trên 205 triệu tấn, thu gom vận chuyển vào bờ

và cung cấp 30 tỷ m3 khí cho sản xuất điện đạm và các nhu cầu dân sinh khác

Mỏ Bạch Hổ nằm ở bể Cửu Long cách thành phố Vũng Tàu 120km về phíaĐông Nam, cấu tạo này do Mobil phát hiện trên cơ sở tài liệu địa chấn 2 chiều (2D),

và phát hiện dầu khí đầu tiên vào tháng 3 năm 1975 bởi giếng khoan Bạch Hổ 1(BH-1) bằng tàu khoan Glomar 2

Ngày 26/6/1986, Xí nghiệp liên doanh Vietsovpetro đã khai thác tấn dầu đầutiên từ mỏ và từ 6/9/1998 khai thác thêm tầng dầu trong móng granit nứt nẻ ở các

độ sâu khác nhau Đây là mỏ dầu lớn nhất Việt Nam hiện nay, bao gồm nhiều thândầu: Miocene dưới, Oligocene và đá móng nứt nẻ Đệ Tam

Hiện nay phương pháp khai thác chủ yếu đang áp dụng ở mỏ Bạch Hổ làphương pháp tự phun, phương pháp khai thác Gaslift và phương pháp khai thác dầubằng máy bơm ly tâm điện chìm (chỉ sử dụng ở giàn RP-1)

Tốc độ khai thác dầu ở mỏ Bạch Hổ ngày càng tăng, năm đầu tiên (1986) khaithác 40.000 tấn Đến ngày 16/9/1998, Xí nghiệp liên doanh Vietsovpetro đã khaithác được 60 triệu tấn dầu thô và khai thác tấn dầu thứ 75 triệu vào ngày20/12/1999 Đến ngày 22/2/2001 khai thác tấn dầu thứ 90 triệu và ngày 4/12/2005khai thác tấn dầu thứ 150 triệu

Liên doanh dầu khí Vietsovpetro được thành lập ngày 1/8/1981 Kể từ đó đếnnay Liên doanh dầu khí Vietsovpetro luôn luôn là đơn vị chủ lực, con chim đầu đàncủa nghành dầu khí Việt Nam, sản lượng khai thác không ngừng tăng, hằng nămchiếm tới 80% sản lượng dầu thô xuất khẩu của nước ta Cùng với dầu thô, Xínghiệp Liên doanh Vietsovpetro còn có khả năng cung cấp hàng tỷ m3 khí đồnghành Hệ thống thu gom xử lý khí cùng đường ống dẫn khí Bạch Hổ-Bà Rịa đãđược đưa vào sử dụng từ tháng 5/1995 Trong năm 1996 Xí nghiệp Liên doanhVietsovpetro cung cấp 300 triệu m3 khí đồng hành cho nhà máy điện Bà Rịa Từnăm 1997 Xí nghiệp Liên doanh cung cấp khí đồng hành với công suất trên 2 triệu

m3/ngày cho nhu cầu công nghiệp và phục vụ sinh hoạt của nhân dân

Trong gần 25 năm qua (tính đến hết tháng 10 năm 2006) Xí nghiệp đã khaithác được gần 160 triệu tấn dầu thô từ các mỏ Bạch Hổ, Rồng, Đại Hùng, thu gom

và vận chuyển vào bờ 16,6 tỷ m3 khí đồng hành và khí hoá lỏng phục vụ sản xuấtđiện và công nghiệp hoá chất Xí nghiệp đã đạt mức doanh thu xuất khẩu dầu thô32,7 tỷ USD, nộp ngân sách nhà nước Việt Nam 21 tỷ USD, lợi nhuận phía Nga 5,8

tỷ USD và vào các năm 1993 và 1996 phía Việt Nam và phía Nga đã thu hồi đượcvốn, qua đó đã đưa Việt Nam trở thành nước khai thác và xuất khẩu dầu đứng thứ 3trong khu vực Đông Nam Á Xí nghiệp Liên doanh Vietsovpetro đã tạo dựng đượcmột hệ thống cơ sở vật chất kỹ thuật vững chắc trên bờ và dưới biển với 12 giànkhoan cố định, 2 giàn công nghệ trung tâm, 9 giàn nhẹ, 3 giàn bơm ép nước, 4 trạmrót dầu không bến, 2 giàn nén khí và 2 giàn tự nâng, với 330 km đường ống dướibiển, 17 tàu dịch vụ các loại trong đó có 2 tàu hiện đại có sức nâng 1200 tấn và mộtcăn cứ dịch vụ trên bờ với 10 cầu cảng dài tổng cộng 1.300 m, trong đó có cầu cảng

có trọng tải 10.000 tấn, có hệ thống kho có khả năng chứa 38.000 tấn/năm, 60.000

m2 bãi cảng, năng lực hàng hoá thông qua 12.000 tấn/năm

Hiện nay, khi các mỏ dầu củ đã được khai thác nhiều năm, giảm dần về sảnlượng thì việc tìm kiếm những mỏ dầu khí mới và áp dụng kỹ thuật hiện đại để giatăng sản lượng hết sức quan trọng Vì vậy công tác tìm kiếm thăm dò những mỏ dầukhí mới được đẩy mạnh bao gồm khoan khai thác 12 giếng gồm 51.150 m khoansâu trong lòng biển, sửa chửa 35 giếng Liên doanh đã xây dựng kế hoạch, áp dụngcác giải pháp điều chỉnh khai thác làm cho trạng thái khai thác tầng móng vòmtrung tâm Bạch Hổ khá ổn định, đảm bảo áp suất vỉa ở độ sâu 3.050 m

Theo kế hoạch giai đoạn 2006-2010, Xí nghiệp Liên doanh dầu khíVietsovpetro phấn đấu gia tăng trữ lượng 52 triệu tấn dầu thô với 20 giếng khoantìm kiếm, vận chuyển vào bờ 6,5 tỷ m3 khí Khoan 64 giếng khoan khai thác đưavào sử dụng 7 công trình biển, 3 công trình đầu tư lớn

1.2 Giới thiệu chung về quá trình sử lý sản phẩm khai thác.

Sản phẩm khai thác từ các giếng dầu khí là sản phẩm hỗn hợp bao gồm: dầu,khí, nước và các tạp chất khác Chính vì vậy chúng ta phải tiến hành sử lý sản phẩmngay tại dàn nhằm đáp ứng các yêu cầu đối với từng loại sản phẩm, quá trình sử lýsản phẩm khai thác thực chất là quá trình tách pha, đối với pha khí sau khi ra khỏithiết bị tách sơ bộ vẫn còn mang theo các thành phần nặng, mang theo hơi nướcv.v… do vậy cần phải sử lý để thu hồi các thành phần nặng đó, tách nước ngưng tụ

để đảm bảo thu được khí thương phẩm Đối với pha nước sau khi được tách sơ bộ rakhỏi dầu thì vẫn còn lẫn nhiều tạp chất kể cả bùn đất v.v…, cho nên trước khi thải

ra môi trường hoặc tái sử dụng để bơm ép vỉa cần phải tiếp tục sử lý để loại bỏ tạpchất Đối với pha dầu tiếp tục được sử lý để tách nước, tách muối và các tạp chất cơhọc cho đến khi đạt được tiêu chuẩn dầu thương phẩm

Quá trình sử lý sản phẩm khai thác được thực hiện như sau: hỗn hợp dầu khí

đi từ giếng lên bề mặt qua hệ thống cây thông khai thác, qua cụm Manhephon đi tớicác thiết bị tách sơ bộ tại đây sản phẩm được tách ra thành các pha theo yêu cầu vàđược vận chuyển đến nơi tiêu thụ nhờ hệ thống máy bơm và máy nén khí

1.3 Giới thiệu sơ đồ công nghệ hệ thống thu gom và xử lý dầu khí.

Hình I.1 là sơ đồ hệ thống thu gom xử lý dầu trên giàn cố định (MSP), hệthống được lắp đặt trong 6 block

a Block Modun N0 /1 và N0 /2

Đây là hai Block quan trọng nhất, hai Block này lắp đặt thiết bị miệng giếng

và các hệ thống đường ống thu gom sau:

* 5 đường ống công nghệ chính:

+ Đường gọi dòng về bình gọi dòng.

+ Đường làm việc chính: đưa về bình tách HГC.C

- Hệ thống máy bơm dầu từ bình 100 m3 ra tàu chứa

- Hệ thống đường ống nối từ các bình tách đến các Blốc Modun N0/1, N02 vàcác Blốc Modul N0/4, N05

c Block Modul N0 /4

Được lắp các hệ thống sau:

- Hệ thống hoá phẩm cho Gaslift

- Trạm phân phối cho các giếng Gaslift

- Các máy bơm phục vụ cho công nghệ bơm ép nước.

- Hệ thống máy nén khí để duy trì áp suất cho hệ thống tự động trên giàn

● Nguyên lý làm việc của hệ thống thu gom vận chuyển dầu.

Sau khi dòng sản phẩm ra khỏi miệng giếng, nó qua hệ thống phân dòng (cụmManhephon) để phân phối dòng theo các đường phù hợp với từng mục đích côngnghệ sau :

a Đối với giếng gọi dòng

Sản phẩm dầu khí sau khi ra khỏi miệng giếng được phân phối về đường gọidòng để đưa vào bình gọi dòng, tại đây:

- Dầu được tách ra và được đưa về bình 100 m3 để tách lần 2

b Đối với giếng cần đo

Khi tiến hành khảo sát giếng, kiểm tra định kì hoặc đột xuất, để xác lập cácthông tin của vỉa giếng, nhằm xây dựng chế độ khai thác hợp lý, người ta tiến hànhcông tác đo

Quy trình công nghệ xử lý như sau: Dầu khí sau khi ra khỏi miệng giếng đượcđưa về đường đo vào bình tách đo Bình tách đo có tác dụng tách dầu riêng, khíriêng:

- Dầu sau khi qua hệ thống tuốc-bin đo được đưa về bình tách 100 m3 để táchtiếp

- Khí sau khi qua thiết bị đo nếu:

+ Áp suất cao, nó đưa về bình HГC.C để xử lý.

+ Áp suất thấp nó đưa ra pakel đốt

c Đối với giếng làm việc bình thường

Sản phẩm đi ra khỏi miệng giếng qua đường làm việc chính vào bình táchHГC.C 25 m3:

- Dầu tách được sẽ chuyển sang bình 100 m3 tách tiếp, sau đó được bơm ratàu chứa, còn khí được đưa lên bình sấy áp suất thấp

- Khí tách sẽ được chuyển sang bình tách tia (bình condensate):

+ Dầu thu được đưa về bình tách HГC.C hoặc bình 100 m3

- Nếu áp suất trong bình vượt quá giới hạn thì van an toàn nổ và xả áp suấttheo đường dẫn tới pakel đốt Khi áp suất giảm tới giới hạn làm việc của bình thìvan tự động đóng lại

- Trên đầu ra của dầu và khí từ các bình đều lắp hệ thống van ‘min’ để tựđộng điều chỉnh mức dầu khí và áp suất trong bình

Để cấp khí có áp suất cao cho phương pháp khai thác Gaslift người ta lắp đặtbình gaslift ở Block N0/1 và N0/2, sản phẩm của giếng có áp suất cao đi theo đườnglàm việc phụ đến bình gaslift

- Khí có áp suất cao được đưa vào trạm phối khí để dẫn đến giếng khai thácbằng phương pháp Gaslift

- Dầu được dẫn vào bình HГC.C để tách tiếp

Hai máy bơm HГC.C 65/35 – 500 được lắp song song trong đó một máy bơmluôn ở trạng thái làm việc và một máy bơm dự phòng, việc lắp đặt này nhằm mụcđích:

- Do yêu cầu công nghệ khai thác dầu khí, để đảm bảo quá trình khai thácdầu được liên tục Nếu máy bơm đang làm việc bị hư hỏng thì ta có thể vận hànhmáy dự phòng để thay thế

- Khi lưu lượng khai thác tăng thì ta cho hai máy bơm cùng làm việc để giảmnhanh lượng dầu có trong bình chứa

CHƯƠNG II – NHIỆM VỤ VÀ NGUYấN Lí TÁCH PHA

2.1 Nguyờn lý tỏch pha.

Nguyờn liệu đầu cho cỏc cho cỏc bỡnh tỏch dầu khớ là hỗn hợp phức tạp baogồm rất nhiều cấu tử với cỏc tớnh chất vật lý khỏc nhau, khi dầu được khai thỏc từdưới giếng khoan lờn nú trải qua một quỏ trỡnh giảm ỏp suất và nhiệt độ, do vậy khớtỏch ra thay đổi về thành phần Quỏ trỡnh tỏch vật lý cỏc pha này là rất phổ biến trờncỏc giàn khoan và quan hệ về thể tớch pha khớ và pha lỏng trong vựng hai pha củagiản đồ được trỡnh bày trong hỡnh II.1 Phương thức này chủ yếu tỏch dầu khớ làtỏch theo cỏc cấp thụng thường

F

E 2

E1

D C

tr ớc

độ giản nở

Hỡnh II.1 Quan hệ thể tớch trong vựng hai phaTỏch theo cấp là quỏ trỡnh trong đú cỏc hydrocacbon khớ và lỏng được tỏchthành pha lỏng và pha hơi bởi hai bỡnh tỏch trở lờn, cỏc bỡnh tỏch này thường đượcvận hành hàng loạt và nối tiếp nhau Mỗi điều kiện ỏp suất và nhiệt độ mà tại đúhydrocacbon được tỏch gọi là cấp tỏch, quỏ trỡnh tỏch 3 giai đoạn được mụ tả tronghỡnh II.2

y i

z i

B×nh t¸ch

DÇu

B×nh t¸ch bËc 2

Hình II.2 Sơ đồ quá trình tách 3 giai đoạn

Có hai loại tách dầu khí: tách “vi phân” và tách “cân bằng” hay “tiếp xúc” Đểtiện cho việc dẫn giải các quá trình tách khác nhau, người ta chia hợp phần của mộthỗn hợp hydrocacbon thành ba nhóm như sau:

- Nhóm cấu tử dễ bay hơi nhất (nhẹ), như Nitrogen, Methane và Ethane

- Nhóm các cấu tử có khả năng bay hơi trung bình, như Propane đến Hexane

- Nhóm các cấu tử kém bay hơi nhất, như Heptane và các cấu tử nặng hơn.Trong tách vi phân, khí tách ra (phần hình thành chủ yếu bởi các cấu tử nhẹhơn) cách ly không cho tiếp xúc với dầu khi áp xuất giảm Khi tách theo phươngthức này lượng cấu tử nặng và trung bình được giữ lại trong pha lỏng là lớn nhất vàmức độ hao hụt dầu là nhỏ nhất, do đó hiệu suất thu hồi dầu cao hơn

Trong quá trình tách tiếp xúc (cân bằng), khí tách ra vẫn tiếp xúc với dầu chotới khi chúng được đưa ra cùng một lúc tại áp suất tách cuối cùng (chất lưu giếngchảy qua thành hệ, ống khai thác, van, bộ điều chỉnh giảm áp và đường ống bề mặt)

Do đó, có nhiều cấu tử nặng và trung bình có mặt trong pha khí dẫn đến sự co ngótdầu lớn Vì vậy quá trình này có khả năng thu hồi dầu thấp

Khi chất lưu đi qua bình tách, áp suất bị giảm đi, dầu và khí được tách khỏinhau và thoát ra theo các đường riêng Đó là sự tách vi phân

Bởi vậy, mục đích của quá trình tách theo bậc là để từng bước giảm áp suấtcủa dòng dầu khai thác sao cho dầu thu hồi dược nhiều hơn Các tính toán quá trìnhtách được thực hiện chủ yếu để xác định:

- Thành phần pha khí và pha dầu.

- Tỉ lệ khí - dầu khai thác

- Tỉ trọng API của dầu

Trong trường hợp áp suất tách cao, phần lớn các cấu tử nặng sẽ nằm lại trongpha lỏng tại bình tách và bị mất mát cùng với các cấu tử có giá trị khác Ngược lạinếu áp suất thấp, sẽ có nhiều cấu tử nhẹ bị thoát khỏi pha lỏng và cuốn theo mộtlượng lớn các cấu tử nặng và trung bình Cần chọn một áp suất trung gian gọi là ápsuất tối ưu ta có:

- Tỉ trọng API của dầu thu được tại bể chứa nhỏ nhất

- Hệ số thể tích dầu nhỏ nhất (Bo)

- Tỉ lệ khí – dầu tối thiểu (GOR)

Ảnh hưởng của áp suất tách được thể hiện trên biểu đồ hình II.3

¸p suÊt t¸ch tèi u

GOR API

2.2 Chức năng của bình tách dầu khí.

Sự tách dầu khỏi khí có thể bắt đầu khi chất lưu giếng chảy qua vỉa sản xuấttrong thân giếng khoan và có thể tiếp tục tăng lên qua ống khai thác, đường ống dẫn

và thiết bị điều khiển trên mặt Dưới điều kiện xác định dung dịch có thể thoát rahoàn toàn thành chất lỏng và khí trước khi chúng tới bình tách Trong trường hợp ấybình tách chỉ làm nhiệm vụ tăng cường để cho khí bay lên và thoát ra theo đườngthoát khí, chất lỏng đi xuống tới đường thoát chất lỏng

khỏi bình tách Hơn nữa, việc sử dụng các thiết bị để tách khí không hoà tan khỏidầu là rất cần thiết trước khi dầu ra khỏi bình tách.

● Tách khí khỏi dầu.

Các tính chất hoá học và vật lý của dầu và điều kiện về nhiệt độ, áp suất củachúng quyết định lượng khí mà nó chứa đựng trong lưu chất Tỷ lệ tại đó khí giảiphóng ra khỏi một lượng dầu đã cho là một hàm số với biến số là nhiệt độ và ápsuất

Thể tích khí thoát ra khỏi dầu thô trong bình tách phụ thuộc vào:

- Tính chất lý hoá của dầu thô

kế của bình tách Trong quá trình tách dầu khí, để tách khí không hoà tan bị giữ lạitrong dầu bởi độ nhớt và ứng suất bề mặt dầu người ta sử dụng các phương phápnhư: rung động, nung nóng, va đập, tấm ngưng và các vật liệu lọc

● Tách nước khỏi dầu.

Việc tách nước khỏi dung dịch dầu mỏ có tác dụng: tránh được sự mài mòn hệthống thu gom sử lý và sự tạo thành nhũ tương không thấm (làm khó khăn cho việcphân giải dầu và nước) Nước có thể được tách từ dầu ở bình tách ba pha trongtrường hợp sử dụng tách hoá học và tách trọng lực, nếu bình tách không đủ rộng đểtách một lượng nước tương ứng, nó có thể được tách trong bình tách nước tự dobằng trọng lực lắp đặt ở trước hoặc sau bình tách Nếu nước bị nhũ tương hoá thìcần phải sử dụng các phương pháp khử nhũ để rời các hạt nhũ tương ra khỏi nước

● Duy trì áp suất tối ưu trong bình tách.

Trong quá trình tách, áp suất phải được duy trì trong bình để chất lỏng có thểthoát ra đi vào bộ sử lý tương ứng hay hệ thống thu gom chúng Áp suất được duytrì trong bình tách do sử dụng van ‘min’ ở từng bình tách hay một van chủ điềukhiển áp suất trong một bộ gồm hai hay nhiều bình tách Áp suất tối ưu duy trì trongbình tách là áp suất cho lợi ích kinh tế cao nhất từ việc bán chất lỏng và khíhydrocacbon, áp suất có thể được tính toán theo lý thuyết hoặc xác định bằng thực

● Duy trì mực chất lỏng trong bình tách.

Duy trì áp suất trong bình tách làm ảnh hưởng tới mực chất lỏng trong bìnhtách, mực chất lỏng này ngăn cản sự mất mát của khí và dầu được điều khiển bởimột van hoạt động theo nguyên lý đòn bẩy nhờ một phao đặt nổi trên bề mặt dầuhoặch sử dụng bờ chàn

● Chức năng đặc biệt của bình tách dầu khí.

Khi áp suất của một loại dầu thô nào đó bị giảm đi thì các bọt khí nhỏ đượcbao bọc bởi một lớp dầu mỏng, các bọt khí này phân tán trong dầu và chúng đượcgọi là bọt dầu Trong một số loại dầu thô khác, độ nhớt và ứng suất bề mặt của dầu

có thể làm hãm tính cơ học khí trong dầu và có thể gay ra kết quả giống như bọt,dầu thô ở dạng bọt khi:

- Tỷ trọng của dầu nhỏ hơn 40 0API

- Nhiệt độ vận hành nhỏ hơn 160 0F

- Dầu thô có độ nhớt lớn hơn 53 cp

Bọt khí làm giảm đáng kể năng suất của bình tách bởi thời gian lưu giữ trongbình thực hiện cho việc tách tương xứng lượng dầu có bọt tăng lên, dầu có bọt khíkhông được đo một cách chính xác bởi lưu lượng kế thể tích hay bình đo thể tíchthường Vì vậy cần phải có những thiết bị đặc biệt để tách dầu thô chứa bọt khí

2.3 Các phương pháp dùng để tách dầu và khí trong bình tách.

2.3.1 Các phương pháp dùng để tách dầu ra khỏi khí.

Những hạt chất lỏng nhỏ còn sót lại trong khi chất lưu đi qua thiết bị tách banđầu (khi mà trong bình tách đã phân biệt rõ hai dòng chất lưu khí và lỏng), đượctách lần cuối bằng một thiết bị gọi là bộ phận chiết sương hay màng ngăn Hơingưng tụ trong khí không thể thu hồi bằng bộ chiết này, hơi ngưng tụ do sự giảmnhiệt độ hoặc sau khi khí vừa được thu hồi từ bình tách Bởi khí ngưng tụ có thể cónhững đặc tính tự nhiên ở nhiệt độ và áp suất bình tách

Sự khác nhau về tỷ trọng của chất lỏng và khí có thể hoàn thành việc táchnhững hạt chất lỏng còn lại trong khí khi mà tốc độ dòng khí chậm vừa phải để hoànthành sự tách, người ta có thể tính toán và giới hạn vận tốc của khí trong bình tách

để đạt được hiệu quả tách hoàn toàn khi không có bộ chiết sương Tuy nhiên, theocông dụng thì các bộ chiết sương lắp trong bình tách để hỗ trợ thêm công việc tách

và giảm thấp nhất lượng chất lỏng bị khí mang theo

Các phương pháp sử dụng để tách dầu ra khỏi khí là: Sự khác nhau về tỷtrọng Sự va đập Thay đổi hướng dòng chảy Thay đổi tốc độ dòng chảy Dùng lực

ly tâm Sự đông kết và lọc

Bộ chiết sương dựng trong bỡnh tỏch cú nhiều loại khỏc nhau: Hỡnh II.4(b) là

sơ đồ cấu tạo bỡnh tỏch đứng, hỡnh II.4(a) là thiết bị tỏch sương, hỡnh II.5 là màngngăn kiểu ly tõm, hỡnh II.6 là màng ngăn dạng lưới

● Sự khỏc nhau về tỷ trọng (tỏch trọng lượng).

Khớ tự nhiờn nhẹ hơn hydrocacbon lỏng, do sự khỏc nhau về tỷ trọng và lựchấp dẫn, những phần tử hydrocacbon lỏng lơ lửng trong dũng khớ tự nhiờn sẽ thoỏtkhỏi dũng khớ nếu như vận tốc dũng khớ chậm vừa phải Những hạt lớn sẽ lắngxuống nhanh hơn và những hạt nhỏ sẽ lắng xuống chậm hơn

Ở điều kiện ỏp suất và nhiệt độ chuẩn, những hạt hydrocacbon lỏng cú tỷtrọng từ 400 – 1600 lần so với khớ tự nhiờn Khi ỏp suất và nhiệt độ tăng lờn thỡ sựkhỏc nhau về tỷ trọng sẽ giảm xuống, ở ỏp suất làm việc 53 at tỷ trọng hydrocacbonlỏng chỉ nặng gấp 6 – 10 lần so với khớ

Trờn lý thuyết cỏc hạt chất lỏng cú tỷ trọng từ 6 – 10 lần tỷ trọng khớ cú thểnhanh chúng lắng xuống và tỏch khỏi khớ Tuy nhiờn điều này khụng xảy ra bởinhững hạt chất lỏng quỏ nhỏ đến mức chỳng cú khuynh hướng trụi nổi trong khớ vàkhụng thoỏt ra khỏi khớ khi khớ ở trong bỡnh tỏch, trong hầu hết cỏc bỡnh tỏch cúkớch thước trung bỡnh những phần tử hydrocacbon cú đường kớnh 100 àm hoặc lớnhơn xẽ hoàn toàn lắng xuống khỏi khớ Việc sử dụng cỏc màng ngăn là để lọc nhữngphần tử chất lỏng nhỏ hơn cũn lại trong khớ, khi ỏp suất làm việc của bỡnh tăng lờn

sự khỏc nhau về tỷ trọng giữa khớ và chất lỏng giảm xuống Vỡ thế, cần vận hànhbỡnh tỏch ở ỏp suất thấp phự hợp, kết hợp với cỏc phương phỏp sử lý thớch hợp

Va đập

A B C

Thay đổi h ớng dòng chảy Thay đổi vận tốc dòng chảy

C

Hỡnh II.4(a) Thiết bị tỏch sương

Hình II.4(b) Sơ đồ cấu tạo bình tách đứng

Hình II.5 Bình tách hai pha sử dụng phương pháp lực ly tâm

1 Khí ở dạng sương

2 Tấm khử sương phụ dạng lưới, dầy 3’’

3 Tấm khử sương dạng lưới, dầy 5’’

4 Hình cầu lắng chất lỏng

5 Khí khô

6 Chất lỏng đi xuốngHình II.6 Màng ngăn kiểu sợi

● Sự va đập.

Nếu dòng khí có chứa những phần tử chất lỏng chuyển động khi va đập vàothành (bề mặt) thì các phần tử có thể bám vào và ngưng tụ trên bề mặt, khi chất lỏngngưng tụ thành những hạt đủ lớn thì chúng rơi vào khoang chứa chất lỏng Nếu hàm

lượng chất lỏng trong khí cao hoặc các phần tử lỏng là nguyên chất, những mặt vađập được lắp đặt để thu hồi dầu dạng sương Hình II.4(a) là hình vẽ của một bộmàng ngăn sử dụng để lặp đi lặp lại sự va đập để thu hồi chất lỏng trong khí.

● Thay đổi hướng dòng chảy.

Khi hướng chảy của dòng khí có chứa chất lỏng bị thay đổi đột ngột, quántính sẽ làm cho chất lỏng chuyển động theo hướng dòng chảy Sự tách sương chấtlỏng từ khí sẽ bị ảnh hưởng bởi vì khí nhẹ hơn sẽ dễ dàng thay đổi hướng dòng chảy

và tách khỏi những phần sương chất lỏng, vì thế chất lỏng có thể ngưng tụ trên bềmặt hoặc rơi xuống buồng chứa chất lỏng phía dưới Hình II.4(a) là màng ngăng sửdụng phương pháp này

● Thay đổi tốc độ dòng chảy.

Việc tách chất lỏng hoặc khí bị ảnh hưởng do sự tăng hay giảm tốc độ của khímột cách đột ngột, cả hai yếu tố đều sử dụng sự khác nhau về quán tính của khí vàlỏng Khi giảm vận tốc, quán tính của chất lỏng lớn hơn sẽ mang nó theo và táchkhỏi khí Chất lỏng sau đó ngưng tụ trên các bề mặt và chảy vào trong khoang chấtlỏng của bình tách, khi tăng vận tốc của dòng khí, do lực quán tính nhỏ nên pha khívượt lên trước và tách khỏi pha dầu Hình II.4(a) là hình vẽ của một màng ngăn kiểucánh quạt dùng để thay đổi tốc độ dòng chảy, màng ngăn này được dùng trong bìnhtách đứng

Hình II.5 minh hoạ bình tách hai pha nằm ngang sử dụng hai giai đoạn chiếtsương ly tâm để tách sương chất lỏng khỏi khí, thiết bị gây va đập cửa vào là mộtcái phễu với những cánh quạt hình xoắn ốc hướng ra ngoài truyền một chuyển độngxoáy cho chất lưu khi chúng đi vào bình tách Những hạt chất lỏng lớn hơn bị bắnvào vỏ của bình và rơi xuống khoang chứa chất lỏng, khí chảy vào thiết bị thứ cấpgồm những cánh quạt hình xoắn ốc hướng vào trong để tăng tốc cho đến khi lên tới

26 m/s Ở vận tốc này làm cho những hạt sương chất lỏng di chuyển vào tâm của

đầu ra của thiết bị thứ cấp Dầu được tách từ thiết bị ly tâm sơ cấp chảy từ khoangtrên xuống khoang dưới qua đường dẫn bên dưới ở bên phải, khoang dưới của bìnhtách được chia làm hai ngăn, chất lỏng (dầu thô) được lấy ra từ hai ngăn bằng hai bộđiều khiển mức chất lỏng và hai van thu hồi dầu.

Bình tách và bình lọc dùng lực ly tâm để thu hồi sương dầu từ khí có thể sử lý một

số lượng khí lớn

●Sự đông kết.

Những tấm đệm đông kết được dùng như những phương tiện có hiệu quảtrong việc tách và thu hồi sương dầu từ một dòng khí tự nhiên, một trong nhữngcông cụ đặc biệt nhất là tách sương chất lỏng từ khí trong hệ thống vận chuyển vàphân phối khí nơi mà lượng chất lỏng trong khí là nhỏ Những tấm đông kết thườngdùng làm ở dạng vòng, dạng lưới bằng những vật liệu khác nhau Chúng sử dụng sựkết hợp giữa va đập, thay đổi hướng, thay đổi vận tốc và loại bỏ sương chất lỏng từkhí Những tấm này cung cấp một bề mặt lớn lắng đọng sương chất lỏng, Hình II.7

là lược đồ của một màng ngăn dạng lưới dùng trong một số bình tách và bình lọckhí Những gói này được làm bằng vật giòn nên có thể bị vỡ trong khi di chuyển vàlắp đặt vì vậy chúng được lắp đặt ở nơi sản xuất trước khi đem đến nơi sử dụng,lưới đan có thể bị kẹt, tắc ngẽn do sự lắng đọng paraffin và các vật liệu khác vì thếlàm bình tách hoạt động không hiệu quả sau một thời gian sử dụng Mặc dù các tấmđông kết rất hiệu quả trong việc thu hồi dầu từ khí nhưng màng ngăng kiểu cánhquạt được sử dụng rộng rãi hơn vì chúng có thể dùng trong nhiều điều kiện khácnhau Do nhược điểm của các tấm đông kết, công dụng của chúng chỉ hạn chế trongmáy lọc khí và dùng trong hệ thống phân phối, vận chuyển thu gom khí

● Lọc bằng phin lọc.

Dùng phin lọc dễ thấm qua rất có hiệu quả trong việc thu hồi dầu từ khí, vậtliệu có tính thấm lọc sương chất lỏng từ khí có thể sử dụng nguyên lý của sự va đập,thay đổi hướng dòng chảy và tốc độ để hỗ trợ cho việc tách sương chất lỏng từ khí

Áp suất giảm qua màng ngăn càng thấp càng tốt trong khi hiệu quả tách tối đa vẫnđược duy trì Tóm lại sự giảm áp suất qua màng ngăn là lớn nhất nếu ta sử dụngphương pháp phin lọc và nhỏ nhất khi ta sử dụng phương pháp kết tụ, còn nhữngkiểu khác thay đổi trong khoảng này

2.3.2 Các phương pháp dùng để tách khí ra khỏi dầu.

Do lợi ích kinh tế đem lại từ khí tự nhiên là không nhỏ và để đảm bảo chấtlượng dầu thô Vì vậy phải tách khí không hoà tan khỏi dầu trong quá trình sử lý,các cơ chế dùng để tách khí ra khỏi dầu trong bình tách là:

- Lắng đọng

Khí chứa trong dầu thô là khí không hoà tan và thường tách khỏi dầu khi có

đủ thời gian để dầu lắng xuống, khi tăng thời gian lưu giữ chất lỏng đòi hỏi phảităng kích thước của bình hay độ sâu của mực chất lỏng trong bình tách Sự tăng độsâu mực chất lỏng trong bình tách có thể sẽ không làm tăng sự tách của khí khônghoà tan khỏi dầu bởi vì “sự chồng chất” của dầu sẽ ngăn cản khí nổi lên trên bề mặtchất lỏng Việc tách tối đa của khí khỏi dầu đạt được khi phần chứa dầu trong bìnhtách là mỏng (tỷ số diện tích bề mặt và thể tích dầu lớn)

● Sự khuấy trộn.

Hiện nay phương pháp khuấy trộn rất cần thiết trong việc thu hồi khí khônghoà tan bị giữ lại do sức căng bề mặt và độ nhớt của dầu, khi có hoạt động khuấytrộn trong bình thì thời gian để các bọt khí trong dầu tách ra ngắn hơn nhiều so vớikhông có hoạt động khuấy Tuy nhiên, các hoạt động khuấy này cũng được điềuchỉnh ở mức độ thích hợp để không xảy ra phản tác dụng Mặt khác trong quá trìnhthiết kế và lắp đặt các chi tiết bên trong sao cho hợp lý

và có su hướng cuộn tròn làm tăng hiệu quả làm tan những bọt khí Đặc biệt chúng

có hiệu quả trong việc tách dầu có bọt, bộ làm lệch có đục lỗ được dùng để tách khíkhông hoà tan trong dầu chúng gây nên sự khuấy động nhẹ làm cho khí thoát rakhỏi dầu thô khi dòng dầu chảy qua

● Nung nóng.

Nung nóng làm giảm sức căng bề mặt và độ nhớt của dầu, vì vậy nó hỗ trợ

nung dầu thô là cho chúng đi qua một thùng nước được nung nóng, sử dụng mộtthiết bị dạng đĩa làm tán xạ chất lỏng thành dòng hay lớp mỏng sẽ làm tăng ảnhhưởng của bình nước nóng Dòng dầu đi lên qua bình nước nóng sẽ tạo ra sự khuấyđộng nhẹ rất cần thiết cho sự kết tụ và tách khí sủi bọt từ trong dầu, bình nước nóngcũng làm tăng hiệu quả của việc tách khí khỏi dầu thô dạng bọt Trên thực tế bìnhnước nóng không được lắp đặt trong một số bình tách nhưng nhiệt lượng có thểđược cung cấp cho dầu bằng những bộ nung nóng bằng lửa, bộ chao đổi nhiệt…một cách giáp tiếp hay trực tiếp Những bộ sử lý nhũ tương cũng được dùng nhưvậy.

● Hoá chất.

Hoá chất làm giảm sức căng bề mặt của dầu thô và hỗ trợ cho việc giải phóngkhí khỏi dầu, giải pháp này sử dụng một số hoá chất những hoá chất như thế làmgiảm đáng kể khuynh hướng tạo bọt của dầu và vì vậy làm tăng công suất của bìnhtách khi mà bọt dầu đã được sử lý

§ êng khÝ ra

Mµng ng¨nkiÓu ng ng

ChÊt láng ®i vµo

Cöa ra cña chÊt láng

Hình II.7 Màng ngăn dạng lưới kiểu ngưng tụ

§Üa lµm lÖch

§Çu ra MÆt c¾t A-A

ThiÕt bÞ

khö khÝ

ThiÕt bÞ dÉn h íng

§Çu vµo chÊt láng

Bé cÊp nhiÖt

H¬i H¬i

ChÊt láng

Hình II.9 Thiếi bị tạo cân bằng lỏng hơi đơn giản

Khi được cung cấp nhiệt (chẳng hạn bởi một nguồn điện), đến một nhiệt độnhất định hỗn hợp lỏng trong thiết bị sẽ bắt đầu sôi và sinh ra hơi Hỗn hợp hơi sinh

ra được dẫn theo một đường ống quay trở lại đáy của thiết bị, tại đây hơi sẽ đượcphân tán đều vào pha lỏng thông qua một thiết bị phân tán (distributor)

Các cấu tử của hỗn hợp lỏng ban đầu sẽ được phân bố vào pha hơi tuỳ thuộcvào nhiệt độ sôi của chúng, những cấu tử có nhiệt độ sôi thấp (dễ bay hơi) sẽ cókhuynh hướng tập trung nhiều hơn trong pha hơi Trong khi đó những cấu tử cónhiệt độ sôi cao hơn sẽ tập trung nhiều hơn ở pha lỏng

Cân bằng giữa pha hơi và pha lỏng sẽ đạt được khi sự hoạt động của thiết bịđược duy trì ở một mức độ nào đó mà hầu như không có sự thay đổi về nhiệt độ, ápsuất và thành phần của các pha

Như vậy, rõ ràng là mức độ tách các cấu tử của một hỗn hợp sẽ đạt được cựcđại tại trạng thái cân bằng, không thể tồn tại một trạng thái nào khác mà đạt đượchiệu suất tách cao hơn

Tóm lại, cân bằng lỏng hơi là một trạng thái của hệ mà tại đó không có sựthay đổi về nhiệt độ, áp suất và thành phần các pha

2.4.2 Các quan hệ nhiệt động học của cân bằng lỏng hơi.

● Quan hệ cân bằng.

Ở trạng thái cân bằng lỏng – hơi, quan hệ nồng độ của một cấu tử nào đótrong pha lỏng và pha hơi tuân theo phương trình sau:

Trong đó:

Ki là hằng số cân bằng của cấu tử i

Yi và Xi lần lượt là phần mol của cấu tử i trong pha hơi và pha lỏng.Theo phương trình (2.1), cấu tử nào có khả năng bay hơi càng lớn (nhiệt độcàng thấp) sẽ có giá trị Ki càng lớn

● Độ bay hơi tương đối.

Độ bay hơi tương đối của cấu tử i so với cấu tử j được định nghĩa là tỷ số giữacác hằng số cân bằng của chúng

Trong đó:

αij là độ bay hơi tương đối của cấu tử i so với cấu tử j

Ki, Kj lần lượt là hằng số cân bằng của cấu tử i và j

αij là một đại lượng rất quan trọng vì nó cho ta thấy được khả năng và hiệu quảcủa bình tách Mặt khác theo thói quen truyền thống, người ta định nghĩa αij là tỷ sốgiữa các hằng số cân bằng của cấu tử dễ bay hơi so với cấu tử kém bay hơi hơn nó,nên ta có:

αij = Ki / Kj ≥ 1

Nếu αij càng lớn hơn 1 thì i càng dễ bay hơi hơn j, nghĩa là càng dễ tách i khỏi

j, ngược lại nếu αij = 1 thì quá trình tách không thể thực hiện được

Pi = Pi0 Xi (2.4)

Trong đó:

Pi là áp suất hơi riêng phần của cấu tử i trong pha hơi

Pi0 là áp suất hơi bảo hoà của cấu tử i tại nhiệt độ của hệ

Ở đây γi được gọi là hệ số hoạt động của pha lỏng

Nếu γi = 1: dung dịch là dung dịch lý tưởng

Nếu γi > 1: dung dịch có sai lệch dương so với dung dịch lý tưởng

Nếu γi < 1: dung dịch có sai lệch âm so với dung dịch lý tưởng

Hệ số γi phụ thuộc vào rất nhiều thành phần của hỗn hợp và trong thực tế, hiệntượng sai lệch dương xảy ra phổ biến hơn so với sai lệch âm

Điểm suơng là trạng thái của hệ mà tại đó hỗn hợp hydrocacbon bắt đầungưng tụ (giọt chất lỏng đầu tiên được sinh ra) và nó được xác định từ phươngtrình:

2.4.3 Tính toán cân bằng pha.

Với một lượng sản phẩm dầu khí biết trước, khi ở áp suất và nhiệt độ bìnhtách thì chúng được tách thành hai pha lỏng và hơi Giữa hai pha này có một sự cânbằng, chúng ta cần tính được thể tích của từng pha và hàm lượng mol tồn tại ở trạngthái lỏng và khí của mỗi cấu tử Muốn vậy trước hết phải biết hàm lượng mol củatừng cấu tử trong hỗn hợp ban đầu

Gọi thành phần thể tích của pha lỏng và pha hơi lần lượt là: VL, VG

i

K V

Z

1

1)1.(

Khi áp suất giảm tới một mức nào đó, những bọt khí được bao bọc bởi mộtlớp dầu mỏng khi có khí hoà tan trong dầu Điều này gây nên hiện tượng bọt, vánghoặc bị tán xạ lơ lửng trong dầu và tạo nên những chất gọi là bọt dầu, độ nhớt vàsức căng bề mặt của dầu có thể giữ khí trong dầu và gây tạo bọt trong dầu Dầu thô

và làm vở bọt khí khi dòng chảy qua thiết bị đầu vào Đĩa khử bọt được lắp đặt ởcuối đầu vào tới cuối đầu ra của bình tách, chúng được đặt cách nhau 4 inch tạothành một hình chóp ở tâm theo chiều đứng của bình Những đĩa này được nhúngtrong dầu, hỗ trợ cho việc lấy khí không hoà tan trong dầu và làm vở bọt khí dầu.Những đĩa trên bề mặt phân cách dầu khí thuộc phần chứa khí của bình, được dùng

để lọc các hạt chất lỏng từ khí và làm vở những hạt còn lại trong khoang chứa khícủa bình Màng ngăn dạng lưới dày 6 inch đặt ở cửa ra của khí, lọc tiếp phần sươngdầu còn lại trong khí và làm vỡ những bọt dầu còn sót lại trong đó Bình tách đứnghình II.8 được dùng để sử lý bọt dầu thô, khi dầu chảy xuống đĩa bọt bị biến dạng

và vỡ ra, kiểu này có thể làm tăng hiệu suất của bình tách trong xử lý bọt dầu từ 10– 15% Những nhân tố chính trong việc hỗ trợ làm vỡ những bọt dầu là khuấy, nungnóng, hoá chất và lực ly tâm

b Paraffin.

Sự tích tụ paraffin trong bình tách làm giảm hiệu suất tách của bình và có thểlàm cho bình không hoạt động được do sự chèn đầy cục bộ trong bình, tắc hay làmkẹt màng ngăn không cho chất lỏng đi qua Paraffin có thể được loại bỏ một cáchhiệu quả trong bình tách bằng hơi nóng hoặc dung môi hoà tan hoàn toàn paraffin.Giải pháp loại bỏ paraffin tốt nhất là ngăn cản sự lắng đọng ban đầu của nóbằng nhiệt hay hoá chất Một phương pháp khác khá hiệu quả là phủ bọc bên trongbình một lớp nhựa, độ nặng của paraffin sẽ làm nó rơi khỏi bề mặt thành bình trướckhi tụ lại thành một lớp dày đến mức gây hại

Nếu dòng chất lưu đi lên từ giếng chứa một số lượng đáng kể cát và các tạpchất khác thì cần phải loại bỏ chúng trước khi đưa vào đường ống, những hạt cátvừa với số lượng nhỏ có thể loại bỏ bằng lắng đọng trong bình đứng với một cáiphễu dưới đáy và xả chúng theo định kỳ Muối có thể loại bỏ bằng cách trộn thêmnước vào trong dầu, khi muối hoà tan nước sẽ được tách khỏi dầu và xả bỏ ra ngoài.

d Sự gỉ sét.

Chất lưu trong giếng thường có chứa các tạp chất gây ăn mòn, phổ biến nhất

là nước, H2S và CO2 hai loại khí này có thể tồn tại trong bình tách với số lượng lớn

từ 40 – 50% thể tích khí Trong khí tự nhiên có chứa một hàm lượng nước nào đó,hàm lượng này có thể cao hơn hay thấp hơn mức bão hoà, Sự tạo thành nước tự docùng với sự giảm áp suất và nhiệt độ sẽ tạo thành hydrat nếu nhiệt độ thấp hơn nhiệt

độ hydrat Mặt khác, khi nước lắng suống phần dưới của ống làm giảm diện tíchchảy của khí và làm gỉ sét đường ống vì nước là chất gây gỉ mạnh Khí chua hay khí

có chứa H2S gây nên sự gỉ sét khi H2S hoà vào nước trong đường ống, mặt khác khicháy nó tạo thành khí SO rất độc Ngoài ra thành phần gây gỉ còn có khí CO khi có

sự hiện diện của nước nhưng nó không gây hại như khí H2S, song nó là khí khôngcháy được nên nó làm giảm nhiệt lượng của khí tự nhiên và càng nghiêm trọng nếuhàm lượng nước càng lớn

CHƯƠNG III – NGUYÊN LÝ CẤU TẠO BÌNH TÁCH 3.1 Công dụng của bình tách.

Bình tách là một thiết bị trong hệ thống thu gom, vận chuyển, xử lý dầu thô.Ứng dụng thông thường nhất của chúng trong mỏ dầu là tách các pha khí, dầu vànước ra khỏi nhau.

Chất lỏng phải được loại bỏ ra khỏi khí để tránh sự tích tụ của chúng trongđường ống dẫn khí làm hạn chế tốc độ dòng chảy, khi sử lý trong nhà máy tuỳphương pháp loại bỏ nước và dầu mỏ, chất lỏng phải được thu hồi để tránh những hưhỏng trong nhà máy xử lý

Dầu thô cần phải được loại bỏ sạch khí để loại bỏ những nguy hiểm trong quátrình cất chứa, khí thu được sẽ được sử dụng trong công nghiệp năng lượng, hoá họchay dùng bơm ép bằng phương pháp gaslift

Bình tách làm giảm sức cản thuỷ lực và sự tạo thành nhũ tương trong đườngống, phá huỷ các bọt khí tạo thành trong dầu, tránh hiện tượng xâm thực trong máybơm, tách nước khỏi dầu khi khai thác các nhũ tương kém bền Làm giảm áp suấtkhi vận chuyển dầu, khí trước trạm bơm và trạm sử lý dầu

Loại các tạp chất gây hại được đưa lên theo dầu từ vỉa sản phẩm tránh đượccác hiện tượng như làm tắc nghẽn đường ống và gây hỏng hóc máy bơm

3.2 Yêu cầu của bình tách.

Một bình tách được coi là lý tưởng khi hiệu suất thu hồi chất lỏng đạt giá trịlớn nhất, khí và hơi rời khỏi bình tách một cách liên tục ngay sau khi chúng rời khỏichất lỏng

Đối với sản phẩm giếng có áp suất cao việc giảm áp suất của chúng được thựchiện nhờ quá trình tách giai đoạn, hệ thống này bao gồm một nhóm bình tách vậnhành ở áp suất giảm dần theo một tỷ lệ nhất định Chất lỏng thoát ra từ bình tách vậnhành ở áp suất cao hơn vào bình tách kế tiếp vận hành ở áp suất thấp hơn

Với một vỉa dầu có thành phần xác định thì để ổn định thành phần khí và lỏngtách ra khỏi bình tách cao áp và thấp áp ta có thể điều chỉnh hai thông số là nhiệt độ

và áp suất, trên thực tế áp suất tách được điều chỉnh bằng các van điều áp tại bìnhtách, nhiệt độ được thay đổi dựa trên hệ thống đường ống thu gom vận chuyển dầu(cho dầu đi qua đường ống ngầm dưới đáy biển, hay trộn lẫn với các dầu vỉa đến từcác giếng khác)

Do đặc điểm của dầu mỏ Bạch Hổ, khi thay đổi chế độ làm việc của bình táchcần phải thiết lập nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tạo ra các tinh thể paraffin cũng nhưnhiệt độ tạo thành hydrat, nếu không công suất tách của bình sẽ giảm, các van bị kẹtgây sự cố

Cần lưu ý dung hoà hai yếu tố kinh tế và kỹ thuật, vì khi áp suất tách giảm khí

ngược lại Hàm lượng các chất ăn mòn trong mỏ Bạch Hổ không cao nhưng vẫnphải kiểm tra định kỳ các bình tách cao áp và thấp áp, cũng như các đường ống thugom nhằm phát hiện kịp thời những hư hỏng do ăn mòn cũng như mài mòn Nếu cóthể, cần xác định độ dày thành sau những khoảng thời gian xác định từ đó thiết lậpđược áp suất tối đa cho phép với từng bình tách.

Trong trường hợp bình tách làm việc ở công suất tối đa phải luôn luôn theo dõichi tiết sao cho thu được khí và dầu đạt yêu cầu đặt ra, cần kiểm tra định kỳ các thiết

bị đo (áp suất, nhiệt độ, lưu lượng …) nhằm đảm bảo tính chính xác của chúng

Để giải quyết được những vấn đề trên, cần phải thường xuyên cập nhật cácthông tin về thành phần dầu vỉa từ đó có những biện pháp, chế độ công nghệ,phương án tách – thu gom hợp lý

3.3 Phân loại bình tách dầu khí.

Bình tách được phân loại theo chức năng, áp suất làm việc, hình dáng, theomục đích sử dụng và theo nguyên tắc tách cơ bản

3.3.1 Phân loại theo chức năng và áp suất làm việc.

Chức năng bình tách chỉ ra số pha cần phải tách:

- Loại bình tách hai pha, tách lỏng khỏi khí nhưng chủ yếu là tách khí khỏilỏng, lỏng và khí đi theo các đường riêng biệt

- Loại bình tách ba pha, chất lỏng giếng được phân ra nước, dầu và khí đi theocác đường khác nhau

Bình tách hai pha hay ba pha, tách theo giai đoạn gọi chung là bình tách dầu vàkhí Chúng được sử dụng trên giàn cố định gần đầu giếng, cụm manhephon hoặcbình chứa để tách chất lưu được tạo ra từ dầu và khí trong giếng, thành dầu và khíhoặc chất lỏng và khí Chúng phải có khả năng kiểm soát slugs hoặc heads (slugshay heads là hiện tượng chất lưu dưới vỉa đi lên với lưu lượng không liên tục màthay đổi), do hiện tượng này của lưu chất từ giếng mà lưu lượng qua hệ thống có thểtăng lên rất cao hay hạ xuống rất thấp Vì vậy bình tách cần phải có kích thước đủ đểkiểm soát tốc độ dòng chảy tức thời lớn nhất

Trong thực tế các bình tách đều làm việc trong khoảng áp suất từ 20 – 1500 psi(100 at), bình tách áp suất có các loại thấp áp, trung áp và cao áp

- Bình tách thấp áp làm việc trong khoảng áp suất từ 15 psi (1at) đến 225 psi(15at)

- Bình tách trung áp làm việc trong khoảng áp suất từ 240 psi (16at) đến 700psi (44at)

- Bình tách cao áp làm việc trong khoảng áp suất từ 750 psi (50at) đến 1500psi (100at)

3.3.2 Phân loại theo phạm vi ứng dụng.

Bình tách có thể phân loại theo phạm vi ứng dụng như bình thử (bình kiểmtra), bình sản xuất, bình tách nhiệt độ thấp, bình đo, bình tách nâng, bình tách phânđoạn

a Bình tách kiểm tra.

Bình tách kiểm tra dùng để tách và đo chất lưu từ giếng nên được gọi là bìnhkiểm tra giếng, hình dạng của nó có thể là ngang, đứng, hoặc cầu có thể là bình haipha hoặc ba pha, chúng được lắp cố định hoặc không cố định Chúng được trang bịcùng với nhiều loại đồng hồ để đo dầu, khí và nước để đánh giá tiềm năng củagiếng, kiểm tra chu kỳ sản xuất của giếng, khảo sát giếng, kiểm tra giếng tới hạn

b Bình tách sản xuất.

Bình tách sản xuất được dùng để tách chất lưu một giếng hay một nhóm giếng,chúng có thể là bình tách ngang, đứng hoặc cầu, hai pha hoặc ba pha Bình có đườngkính trong từ 12 inch đến 15 ft, thông dụng nhất là bình có đường kính 30 inch đến

10 ft Chiều dài từ 6 ft đến 70 ft, hay dùng nhất là từ 10 ft đến 40 ft

c Bình tách nhiệt độ thấp.

Bình tách nhiệt độ thấp là một loại bình tách đặc biệt, dòng chất lưu có áp suấtcao được đưa vào bình qua một van giảm áp hay một van tiết lưu sao cho nhiệt độbình tách giảm đáng kể so với nhiệt độ của chất lưu trong giếng Sự giảm nhiệt độđạt được nhờ hiệu ứng Joul Thopson làm giản nỡ chất lỏng trong giếng khi nó chảyqua van hay bướm gió làm giảm áp suất trong bình tách, chất lỏng được thu hồi phải

ổn định để tránh sự bay hơi quá mức trong bình chứa

d Bình đo.

Chức năng của bình đo là tách chất lưu từ giếng thành dầu, khí, nước và đo đểđịnh lượng chúng, nó cũng có thể được sử dụng để tách hai pha hoặch ba pha.Những bình này được thiết kế một cách đặc biệt để đo một cách chính xác về độ bọt

đi vào và đi ra khoang đôi mà không dựa vào dòng chảy trọng lực Đây là bình tách

trang bị cùng với những bộ điều khiển và van sắp xếp sao cho dòng chất lưu đi vàobình không thay đổi Với dòng chảy áp lực vào và ra của một trong hai khoang, bìnhnày có thể sử lý một dung lượng lớn hơn bình tách tương tự nhưng dòng chảy từkhoang trên xuống khoang dưới dựa vào trọng lượng Bình được trang bị bộ điềuchỉnh mực thuỷ tĩnh cho việc đo dầu nhiều bọt và bộ điều khiển mức bằng phao nếunhư dầu không chứa bọt.

e Bình tách bọt.

Bình tách bọt là bình tách dầu khí dùng để xử lý dầu thô chứa nhiều bọt, khi ápsuất gảm tới một mức nào đó thì những bọt khí nhỏ được bao bọc bởi một lớp dầumỏng, khí không hòa tan có thể dẫn tới sự tạo bọt, váng hoặc phân tán lơ lửng trongdầu và tạo thành những phần tử gọi là bọt dầu Nói một cách khác độ nhớt và sứccăng bề mặt của dầu có thể giữ khí lại trong dầu, những lớp khí có ảnh hưởng tương

tự như bọt dầu, trên thực tế bọt này không bền hay tồn tại lâu trừ khi có tác nhân tạobọt trong dầu

Khi xuất hiện các bọt khí trong dầu chúng sẽ làm giảm đáng kể năng suất táchcủa bình tách bởi phải mất một thời gian lưu giữu trong bình tách dài mới có thể làmtan hết các bọt khí, người ta sử dụng các bình tách có các đĩa khử bọt, hay lắp đặtcác thết bị khử bọt đặc biệt ở đầu vào của bình tách Hình II.8 là bình tách đứngđược sử dụng để tách bọt, thiết bị này sẽ khuấy nhẹ chất lưu từ giếng lên và đồngthời hỗ trợ việc lấy khí từ dầu và làm vỡ bọt khí trước khi chất lưu được đưa vàobình tách Các đĩa khử bọt được lắp đặt từ cuối đầu vào đến cuối đầu ra của bìnhtách, chúng được đặt cách nhau 4 inch tạo thành hình chóp ở tâm đứng của bìnhtách, những đĩa này được nhúng trong dầu để hỗ trợ lấy khí hoà tan trong dầu và làm

vỡ các bọt khí Những đĩa nằm phía trên bề mặt phân cách dầu – khí (thuộc phầnchứa khí của bình tách), dùng để lấy sương dầu từ khí và cũng hỗ trợ làm vỡ các bọtdầu có thể còn tồn tại trong khoang chứa khí Bộ chiết sương dầy 6 inch cũng đượclắp ở dưới cửa ra của khí để lọc tiếp phần sương dầu còn lại trong khí cùng với việclàm vỡ các bọt khí còn lại, khi dầu chảy xuống đĩa những bọt khí sẽ biến dạng và vỡ

ra, thiết kế kiểu này có thể tăng việc xử lý dầu có bọt từ 10 – 15% Những yếu tố hỗtrợ cho việc làm làm vỡ các bọt dầu là: nung nóng, khuấy, dùng hoá chất, lực ly tâm.Ngoài ra còn nhiều kiểu bình tách khác nhau dùng sử lý bọt đã được cải tiến, một sốdùng cho sử lý bọt, một số dùng cho ứng dụng riêng

§ êng dÇu ra

Van an toµn Mµng ng¨n

§ êng c©n b»ng khÝ

C«ng tay ®o

Bé kÝch ®o

Bé ®iÒu khiÓn møc

ThiÕt bÞ t¸ch cöa vµo

ChÊt láng ®i vµo

Hình III.1 Bình tách đứng 2 pha dùng cho việc tách và đo

Chất lỏng được đo ở khoang dưới bình

Bình tách phân đoạn.

Chất lỏng được dẫn chảy qua một số bình tách trước khi tách ra thành khí,

tiên gọi là bình tách giai đoạn một, bình tách thứ hai gọi là tách giai đoạn hai ….Trên thực tế chỉ có ba hoặc bốn giai đoạn tách là tối đa, bình cuối cùng (bình chứa)cũng được xem như là một bình tách Các bình tách làm việc theo nguyên tắc áp suấtgiảm dần và thể tích tăng dần, chất lỏng thu hồi được từ bình áp suất cao chảy vàobình áp suất thấp hơn Mục đích của bình tách phân đoạn là thu hồi được lượng chấtlỏng hydrocacbon cao nhất từ chất lưu và đảm bảo sự ổn định cao nhất của chất lỏng

và khí ra khỏi bình

3.3.3 Phân loại theo nguyên lý tách cơ bản.

Tách cơ bản là quá trình tách đầu tiên khi cho chất lưu vào thiết bị, còn đượcgọi là tách sơ cấp Các nguyên lý dùng cho giai đoạn này thường là trọng lực, va đập(hoặc kết dính) và lực ly tâm

a Nguyên lý trọng lực.

Nguyên lý trọng lực là dựa vào sự chênh lệch mật độ của các thành phần chấtlưu, các bình tách loại này ở cửa vào không thiết kế bộ phận tạo va đập, lệch dònghoặc đệm chắn Còn ở cửa ra của khí (số ít) có lắp đặt bộ phận chiết sương

b Sự va đập hoặc keo tụ.

Những kiểu bình tách này bao gồm tất cả các thiết bị ở cửa vào có gắn các tấm

va đập, đệm chắn để hoàn thành việc tách ban đầu của khí và dầu, có rất nhiều kiểusắp xếp thiết bị được dùng ở đầu vào của bình tách Hình II.4(b) là một trong nhữngkiểu sắp xếp đơn giản và hiệu quả nhất cho bình tách

c Lực ly tâm.

Lực ly tâm dùng để tách cả sơ cấp và tách thứ cấp, lực ly tâm đạt được với mộtcửa vào có tiếp tuyến hợp lý hoặc kích thước xoáy bên trong hợp lý (đường xoắn ốcbên trong có kích thước phù hợp) hay thiết bị thân khai có đỉnh và đáy mở ra hoặc

mở cục bộ Những thiết bị này tạo ra một dòng xoáy với tốc độ đủ lớn để tách chấtlỏng, vận tốc để đạt được sự tách ly tâm thay đổi trong khoảng từ 120 – 1000 m/s,vận tốc phổ biến là 240 – 360 m/s Đa số thiết bị tách ly tâm có hình trụ đứng Tuynhiên, ở các thiết bị hình trụ ngang như hình II.5 được lắp bộ phận tạo ly tâm ở đầuvào để tách sơ cấp và ở đầu ra của khí để tách lỏng

● Bình tách ly tâm.

Bình tách ly tâm hình III.2 làm việc như sau: Dầu thô đi vào bình theo các khetiếp tuyến có thể điều chỉnh được ở vận tốc cao tạo nên một dòng xoáy trong bình,dòng xoáy được ổn định bằng một bộ tạo xoáy đi xuống phễu xoáy Vận tốc xoáycao đảm bảo một lớp chất mỏng, ổn định Phễu xoáy tạo một lối dài cho chất lưu,làm khí không hoà tan bị vỡ ra đó là nhân tố hiệu quả đối với dầu tạo bọt Khi chấtlỏng đến bề mặt phân cách dầu – khí, dòng khí xoáy được lưu giữ cùng với dòng khí

đi lên và đi ra ngoài qua vòi a Phễu xoáy là thiết bị chuyển tiếp để cho chất lỏng

chảy vào đường thải, tránh sự cuốn trở lại và hỗ trợ cho việc tách dầu, nước

Việc tách nước, dầu thực hiện do trọng lượng với thời gian lưu giữ yêu cầu tuỳ

thuộc vào đặc tính của chất lưu trong giếng Dầu và nước được lấy ra từ vòi c và d một cách riêng biệt Đường thông khí b dùng để làm cân bằng áp suất và để thu hồi khí tách ra từ buồng thải và được nối thông với vòi a.

● Bình tách xoáy phân kỳ.

Hình III.3 là hình vẽ bình tách xoáy phân kỳ (DVS), bình có đường vào ở dướiđáy bình, bình ứng dụng lực ly tâm để tách khí khỏi chất lỏng, khi tách dầu và nướcdựa vào sự khác nhau về tỷ trọng để tách, hiệu suất xoáy của bình cao Những hạtchất lỏng có kích thước < 5 μm có thể được thu hồi, không có sự chuyển động củam có thể được thu hồi, không có sự chuyển động củacác phần nhỏ và không có sự thay đổi hướng dòng chảy Áp suất tổn hao là nhỏnhất, thay đổi trong khoảng 3 – 5 psi

Khi dầu thô được đưa vào đáy của bình như hình vẽ, cả dầu và khí tạo thànhđường xoắn ốc đi lên khoang có dòng xoáy ổn định, ngay đỉnh của vòng dầu chảytheo dạng đường tròn tràn lên miệng của vòng xoáy và xuống đáy của vỏ bình qualớp vỏ bảo vệ và sau đó đi ra ngoài qua đường xả chất lỏng Khí tiếp tục chuyểnđộng xoắn ốc lên phía trên và đi ra ngoài theo đường xả khí Chế độ chảy như vậylàm giảm tối đa độ nhớt của dầu và khí, vì thế làm giảm đến mức tối đa sự quấn trởlại và có diện tích bề mặt buồng xoáy lớn nhất cho sự kết tụ và thu gom dầu Bề mặtnày tiếp tục trải rộng ra làm cho dầu tạo thành một lớp mỏng đồng nhất, lớp này ổnđịnh và sự chuyển động của dầu trùng hợp với vận tốc đầu vào lực ly tâm Vòng bảo

vệ kéo dài xuống dưới mực chất lỏng trong buồng chất lỏng hình khuyên

Hình III.2 Bình tách ly tâm ba pha

Cöa ra cña khÝ

PhÇn xo¸y

MiÖng phÔu xo¸y

Vá b¶o vÖ

Cöa ra cña chÊt láng

Trong giai đoạn một, toàn bộ chất lỏng tự do và chất lỏng vào bình được quay

và loại bỏ khí nhờ lực ly tâm Trong giai đoạn hai, một số lượng chất lỏng còn lạitrong khí bị quay bằng lực ly tâm lớn hơn và được thu hồi bởi một vòng quay trở lạinhư hình vẽ III.4 Chất lưu trong giếng vào bình tách qua một vòi dạng tiếp tuyếngây nên một vòng xoáy ở cửa vào, dòng chảy xoáy sau đó di chuyển xuống phíadưới giữa ống lọc phẳng và vỏ bình tách đi vào khoang xoáy Chất lỏng ở trongvòng xoáy bị bắn ra ngoài thành khoang xoáy nhờ lực ly tâm sau đó chảy qua đĩalàm lệch đi vào khoang chất lỏng và được đưa ra ngoài Khí tiếp tục quay và hội tụ

về phía tâm của khoang xoáy, tăng tốc độ và đi vào ống tạo xoáy Trong ống tạoxoáy chất lỏng lẫn trong khí tiếp tục duy trì chuyển động quay nhanh dần và tụ tậplại xung quanh thành của bộ tạo xoáy và được quét lên phía trên nhờ dòng khí đi vềphía đầu ra, chất lỏng này cùng với một dòng bên cạnh chứa khoảng 5% tổng số khí

sẽ được hút qua một khe trong thành ống xuống đường hồi và qua lỗ ở tâm đĩa làmlệch chảy vào buồng xoáy Dòng áp suất thấp dọc theo trục của buồng xoáy tạo nênmột lực hút cần thiết, chất lỏng hồi vào dòng khí bên cạnh đi vào khoang xoáy qua

lỗ trên đĩa làm lệch trộn lẫn với khí đang quay nhanh trong lõi của khoang xoắn, sau

đó chất lỏng bị văng ra ngoài thành và chảy xuống khoang chất lỏng Dòng khíchính đã được làm sạch tiếp tục đi lên qua ống tạo xoáy và đi ra ngoài qua đường xảkhí

Khoang chất lỏng trong bình tách này có những tấm ngăn để cho chất lỏng ổnđịnh và cách ly với phao điều chỉnh mức khi cần thiết, khoang này có thể làm lớn

để xử lý một lượng chất lỏng lớn hoặc được cấu tạo cho phù hợp với việc tách dầu,nước bằng trọng lượng

Cöa khÝ ra

Cöa vµo

ChÊt láng b¾n vµo thµnh b×nh

ChÊt láng

®i vµo khoang chøa

Hình III.4 Sơ đồ bình tách đứng ly tâm trong tách lần 1 và lần 2

3.3.4 Phân loại theo hình dạng.

Ta thường gặp ba loại sau:

- Bình tách đứng

- Bình tách cầu

Bình tách đứng có nhiều kiểu khác nhau từ nhỏ đến lớn, có loại bình đườngkính từ 10 hoặc 12 inch, chiều dài 4 – 5 ft, đến loại có đường kính từ 10 hoặc 12 ft,chiều dài 15 -25 ft Bình tách đứng có hai loại, loại hai pha lỏng- khí như các hình:II.8 và hình III.1 Loại bình tách ba pha hoạt động dầu –khí – nước, được minh hoạnhư hình II.4(b)

Bình tách ngang được sản xuất với hai dạng: Bình tách một ống trụ đơn vàbình tách hai ống trụ Cả hai loại này đều có thể tách hai pha hoặc ba pha, nhữngthiết bị tách ngang có sự thay đổi kích thước từ 20 – 30’, đường kính từ 4 – 5 ft lêntới 15 – 16 ft đường kính và chiều dài 60 – 70 ft Hình III.5 minh hoạ cấu tạo thiết bịtách hình trụ ngang hai pha hoạt động dầu – khí Hình III.6 minh hoạ thiết bị táchhình trụ ngang một ống ba pha hoạt động dầu – khí – nước Thông thường bình táchđơn được sử dụng rộng rãi hơn bình tách đôi, bình tách đơn có diện tích cho khíchảy qua và diện tích bề mặt phân cách dầu – khí cũng như thời gian lưu giữ chấtlỏng lớn hơn so với bình tách đôi

Thiết bị tách hình cầu có kích thước thay đổi từ 24 – 30’’, đường kính từ 66 –72’’, có loại tách hai pha, loại tách ba pha Hình III.7 minh hoạ đơn giản thiết bị táchhình cầu hoạt động hai pha Hình III.8 minh hoạ bình tách 3 pha hình cầu