Vận chuyển đường ống dẫn dầu thô

Khả năng vận chuyển của đường ống Để đánh giá khả năng vận chuyển của đường ống, người ta sử dụng các thông số của đường ống dẫn như: đường kính và độ nhám bề mặt, chiều dày thành ống, t

Vận chuyển đường ống dẫn Dầu thô

1 Tổng quan về đường ống

1.1 Chức năng

Đường ống được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Nó có nhiều loại kết cấu, kích thước và phạm vi sử dụng khác nhau.Trong ngành công nghiệp Dầu khí

nó có chức năng như sau:

-Vận chuyển dầu và các sản phẩm dầu từ nơi khai thác đến các kho chứa, nhà máy chế biến, các trạm cung cấp, xí nghiệp…

-Vận chuyển nước, chất phụ gia hóa phẩm phục vụ cho công tác khai thác Dầu khí vào giao đoạn cuối

1.2 Phân loại đường ống

Do yêu cầu đa dạng và tính chất làm việc phức tạp nên hệ thống đường ống được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau:

- Theo phương pháp lắp đặt thì có ống ngầm dưới đất, dưới nước, trên mặt đất hoặc treo trên không

- Theo đặc tính gồm có ống có áp và ống không có áp: Loại ống có áp thì thông thường chất lưu lấp đầy tiết diện ống Trong trường hợp không lấp đầy thì có thể tự chảy hoặc có thể có áp lực Còn ống không áp thì chuyển động được thực hiện nhờ trọng lực gây ra bởi sự chênh lệch độ cao giữa 2 đầu ống

- Theo trị số áp lực thì đường ống được chia ra làm 2 cấp Cấp 1 đối với những ống có áp suất lớn hơn từ 250- 1000 N/cm2 và cấp 2 đối với những ống có áp suất lớn hơn từ 120- 250 N/cm2

- Theo đường kính thì đường ống chia làm 5 cấp Cấp 1 đối với ống có đường kính từ 1000-1400 mm; cấp 2 có đường kính từ 500-1000 mm; cấp 3 có đường kính từ 300-500 mm; cấp 4 có đường kính bé hơn 300mm và có áp suất lớn hơn 250 N/cm2; cấp 5 có đường kính bé hơn 300mm và áp suất từ

160 N/cm2 đến 250 N/cm2

- Theo độ dốc thủy lực gồm có ống đơn giản (ống không phân nhánh, đường kính không thay đổi) và ống phức tạp

- Theo mức độ ăn mòn của chất chuyển tải người ta chia ra ống trong môi trường không ăn mòn, ít ăn mòn (nếu mức ăn mòn 0,1 mm/năm), ăn mòn trung bình(0,1-0,5mm/năm) và ăn mòn cao(>0,5mm/năm)

- Theo khả năng vận tải thì có đường ống dẫn dòng một pha hay hai pha, dẫn dầu hay khí

Một số hình ảnh về đường ống:

2 Khả năng vận chuyển của đường ống

Để đánh giá khả năng vận chuyển của đường ống, người ta sử dụng các thông

số của đường ống dẫn như: đường kính và độ nhám bề mặt, chiều dày thành ống, tính chất của chất lưu……

Trong khai thác dầu mỏ, tính chất của dầu mỏ thay đổi theo từng giai đoạn khai thác Ở giai đoạn đầu, giai đoạn gia tăng nhu cầu vận chuyển dầu sẽ tăng dần Tới giai đoạn ổn định, lượng dầu đạt giá trị cao nhất, đồng thời lượng

nước vỉa khai thác và nước bơm ép cũng bắt đầu gia tăng (do các mỏ vỉa không còn đủ áp suất tự phun, ta phải bơm ép nước, chất phụ gia hóa phẩm tác động vào vỉa để nâng cao hệ số thu hồi dầu) Trong các giai đoạn cuối thì khối lượng vận chuyển chủ yếu là nước

Khả năng lưu thông của đường ống được xác định bởi trạng thái bề mặt bên trong của ống và sự hiện diện của lớp lắng đọng asphan- nhựa- parafin Các lớp lắng đọng này sẽ làm giảm tiết diện của ống và kết quả là làm gia tăng tổn thất thủy lực.Trong quá trình bơm dầu, nguy cơ tắc nghẽn đường ống khi dừng bơm là rất cao Ở Việt Nam dầu khai thác tại các mỏ hiện nay với sản lượng ít dần, có hàm lượng parafin cao, điều này tạo ra nhiều khó khăn trong việc vận chuyển sản phẩm của giếng khai thác và dầu đã tách khí Do dầu đông đặc và mất linh động ở nhiệt độ tương đối cao (thường 3036oC) nên vận chuyển các loại dầu này bằng đường ống thường kèm theo tổn thất thủy lực lớn và gây tắc nghẽn đường ống

Cụ thể, ta đi xét một số nguyên nhân chính làm cho khả năng vận chuyển của đường ống bị suy giảm là:

- Đường kính trong của ống bị giảm và tình trạng bề mặt thay đổi dẫn đến gia tăng tổn thất thủy lực Khi vận chuyển, dầu kéo theo các vật chất cơ học từ vỉa như cát, bùn, sét, vảy gỉ nhựa… Khi tốc độ giảm sẽ lắng xuống hình thành các lớp, nhiều khi rất khó phá hủy Với dầu nhiều parafin, gặp điều kiện nhiệt động không thuận lợi sẽ đông đặc, kết tinh và bám dính vào thành ống Tương

tự khi vận chuyển nước vỉa hoặc dầu ngậm nước thì các lớp kết tinh sẽ là muối, đồng thời nước thúc đẩy hình thành các lớp oxit trên thành ống Các lớp kết tủa bám dính trên thành ống làm giảm đường kính trong của ống, độ nhám tăng lên

- Độ bền của đường ống cũng giảm theo thời gian sử dụng do chịu lực cơ học lâu dài và tiếp xúc với môi trường Khi tiếp xúc với môi trường, phần lớn các ống dẫn bị han gỉ, ngoài ra còn bị mài mòn, xói mòn do dòng chảy của hỗn hợp lỏng rắn làm cho bề dày bị giảm Trong thời gian làm việc, ống chịu các tải cơ học, đặc biệt là khi vận chuyển dầu có hàm lượng từ trung bình đến cao,

sẽ dẫn đến hiện tượng mỏi của vật liệu và sức chịu tải sẽ giảm

Để đảm bảo quá trình sản xuất bình thường, tiết kiệm vật liệu và năng lượng, chúng ta phải hiểu rõ các nguyên nhân và biết cách lựa chọn các giải pháp cần thiết, phù hợp để ngăn ngừa sự lắng đọng, kết tinh, bám dính, sự han gỉ và sự hình thành các va đập áp suất trong đường ống

Ở nước ta, với điều kiện khí hậu ẩm, khai thác ngoài biển, hệ thống thu gom ở các mỏ nhỏ và giàn nhẹ là hệ thống kín, khí được khai thác xa bờ, được vận chuyển theo dòng 2 pha nên việc đưa ra các giải phám làm tăng khả năng lưu thông của tuyến đường ống là rất cần thiết

3 Một số vấn đề liên quan đến sự tắc nghẽn đường ống

3.1Lắng đọng parafin trong đường ống vận chuyển

a Giới thiệu

- Parafin: Là một hỗn hợp Hydrocacbon phức tạp, thành phần chủ yếu là

Hydrocacbon ở thể rắn, hợp chất từ C17 C100, thường là mạch no Tỉ trọng thường từ 0,860,94 Parafin bị mất tính lưu biến tạo thành thể rắn ở nhiệt độ

từ 2535 oC Khi bắt đầu kết tinh hoặc mất tính linh động sẽ gây khó khăn cho việc vận chuyển, làm tăng tổn hao áp suất và nhiều khi không vận chuyển được

- Nguyên nhân gây kết tinh, lắng đọng parafin:

+ Khả năng hòa tan của parafin trong dầu kém

+ Do nhiệt độ kết tinh của parafin cao

+ Do hàm lượng của parafin trong dầu cao

+ Do độ nhám của thành ống

+ Do tốc độ giảm áp lớn, tốc độ dòng chảy thấp

- Các biện pháp khắc phục

Người ta thường sử dụng các giải pháp khắc phục như là: bọc bảo ôn cho đường dẫn dầu, xây dựng hệ thống làm sạch chất lắng đọng bên trong đường ống, gia nhiệt cho dầu, sử dụng hóa phẩm làm giảm nhiệt độ đông đặc, độ nhớt của dầu… Tuy nhiên, trong từng giai đoạn, từng trường hợp cụ thể, các giải pháp trên không phải lúc nào cũng áp dụng có hiệu quả.Chính vì thế, ta cần lựa chọn giải pháp thích hợp

b Lắng đọng parafin trong đường ống và giải pháp khắc phục cụ thể

Tại điều kiện nhiệt độ tiệm cận nhiệt độ đông đặc của dầu, hiện tượng lắng đọng parafin-keo nhựa trên bề mặt thành đường ống khai thác cũng như là

đường ống thu gom, vận chuyển sẽ diễn ra mạnh mẽ, làm giảm khả năng lưu thông của đường ống

Theo khảo sát, các thông số đặc trưng của dầu thô ở một số mỏ của Vietsovpetro như sau:

Bảng 1: Đặc trưng lý hóa của một số mỏ Dầu Khí ở Vietsovpetro

Theo kết quả nghiên cứu, đối với dầu khai thác ở mỏ Bạch Hổ và một số mỏ khác ở Vietsovpetro, thì parafin kết tinh mạnh ở khoảng nhiệt độ 3540 độ C Trong khi đó, nhiệt độ của dầu chuyển động trong đường ống dao động ở mức 3445oC

Hình 1 cho thấy nhiệt độ bắt đầu xuất hiện các tinh thể parafin trong dầu là

5860oC, nhiệt độ kết tinh mạnh mẽ parafin trong dầu xuất hiện ở khoảng

3540oC

Người ta cũng đã nghiên cứu và chứng minh được rằng:

- Ở nhiệt độ vận chuyển dầu trên 65oC: ít thấy hiện tượng lắng đọng parafin

- Đến nhiệt độ 35oC: lắng đọng parafin khoảng 1,0kg//ngày

- Đến nhiệt độ 30oC:lắng đọng parafin khoảng 3,5kg/m2/ngày

- Đến nhiệt độ 25oC: lắng đọng parafin khoảng 10kg/m2/ngày

Bên cạnh đó, người ta cũng nhận định rằng: Tại điều kiện vận chuyển mà nhiệt độ của dầu trong đường ống thấp, dầu chuyển động trong đường ống có tính chất lưu biến của chất lỏng phi Niu-Tơn, kết quả bên trong đường ống dẫn dầu sẽ xuất hiện các vùng ứ đọng parafin mềm hoặc dầu đông Ở đoạn đầu của đường ống, khi nhiệt độ trung bình của dầu khá cao, dầu còn mang tính chất của chất lỏng Niu-Tơn, dòng chảy của dầu ở đây có thể là chảy rối, nghĩa là dầu dịch chuyển theo toàn bộ tiết diện của ống

Hình ảnh minh họa lắng đọng parafin:

Hình 2: Lắng đọng Parafin trong đường ống dẫn dầu từ mỏ Bạch Hổ sang FSO-3

mỏ Rồng (lấy trong thời gian sửa chữa Plem UBN-3)

Hình 3: Lắng đọng parafin từ RP-1 đến FSO-3

Một số giải pháp cụ thể tác động lên ống và tác động lên chất lỏng:

- Duy trì áp suất vận chuyển cao (1015 at) để hạn chế việc tách khí và tốc độ chảy cao để gây động lực hạn chế sự lắng đọng

- Duy trì nhiệt độ của dầu cao hơn nhiệt độ đông đặc của parafin ( hay còn gọi là giải pháp gia nhiệt, vận chuyển dầu nóng ) Người ta thường dùng các thiết bị nung điện ngầm, lò đốt điện hoặc là dùng khí để gia nhiệt dầu thô có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ đông đặc từ 2025oC Phương pháp này dễ thực hiện, thuận tiện sử dụng ở bất kỳ khu vực khai thác nào…

- Vận chuyển dầu cùng khí hoặc nước: Làm tăng độ linh động của dầu

- Sơn phủ đường ống nhằm giảm độ nhám và khả năng bám dính của ống: Các vật liệu bảo vệ đường ống phải có tính kết dính kém với parafin- nhựa trong dầu thô Khi chế tạo ta phủ lên bề mặt trong của ống một lớp sơn tráng epoxi hoặc thủy tinh Cố tạo cho lớp này có tính phân cực (tính háo nước) Tuy nhiên, do xử lý nhiệt lớp phủ này kém bền nên thời gian sử dụng không được lâu dài

- Phương pháp điện trường: Như chúng ta đã biết, dầu thô khi khai thác có lẫn các tạp chất nước và muối khoáng, dưới ảnh hưởng của từ trường, các phân

tử nước, muối khoáng sẽ thay đổi hướng và làm thay đổi cấu trúc của tinh thể parafin Mức độ tác động của trường điện từ phụ thuộc vào cường độ và hướng đối với dòng chất lỏng và tốc độ bơm dầu qua trường điện từ Thường

ở miệng giếng khai thác, người ta đặt thử nghiệm máy phát điện từ Nguyên tắc của máy là cho dòng dầu đi qua một đoạn ống làm bằng vật liệu không nhiễm từ, trên ống có bố trí những cuộn cảm ứng và khi cho dòng điện đi qua những cuộn cảm ứng này sẽ tạo ra từ trường biến thiên và làm cho dầu nhiễm từ và dẫn đến làm thay đổi cấu trúc tinh thể parafin, ngăn ngừa sự lắng đọng parafin trong ống

Phương pháp này thường được áp dụng kết hợp với các phương pháp khác

- Pha loãng dầu, đây là giải pháp để giảm độ nhớt của dầu, giảm tổn hao áp suất, tăng tốc độ vận chuyển và giảm nồng độ parafin

- Sử dụng chất phụ gia: phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi Nó còn giải quyết được một cách tổng hợp các nhiệm vụ chống lắng đọng parafin, chống ăn mòn, chống lắng đọng muối và có thể tác động vào vùng đáy giếng

để nâng cao hệ số thu hồi dầu Chỉ cần một lượng nhỏ chất phụ gia cho vào

là có thể làm thay đổi bản chất ranh giới dầu – nước, thay đổi mạng tinh thể parafin, giảm điểm đông, độ nhớt… Tùy thuộc vào bản chất dầu thô, điều kiện vận chuyển khai thác mà người ta chọn lựa các loại phụ gia khác nhau Các chất phụ gia được sản xuất có gốc polyetylene, polyisobutylene, polyeste……

- Phương pháp tẩy rửa parafin trong đường ống : Sau một thời gian khai thác, vận chuyển dầu thô, dù chúng ta sử dụng phương pháp gia nhiệt, dùng chất phụ gia… thì cũng không khắc phục hoàn toàn được lắng đọng parafin trên thành ống Theo định kỳ, người ta xử lý bằng cách tẩy rửa đường ống Có thể sử dụng condensat ở vùng khai thác dầu, dầu diesel hay là dầu hỏa để tẩy rửa

Dùng dầu diesel hoặc condensate nóng cho lưu thông trong ống để tẩy rửa parafin, những đoạn ống có lưu lượng bơm thấp thì càng nhanh tạo lắng đọng, có thể dùng hỗn hợp nước thêm vào dầu vận chuyển với tốc độ lớn để tẩy rửa lắng đọng, tuy nhiên lại phải tốn kém cho tách loại nước

Nhược điểm chính của phương pháp này là khi tẩy rửa thì phải ngừng làm việc Và hệ thống đường ống có nhiều cấp đường kính, tạo nút trong vận chuyển và có nhiều đoạn ống đứng nên việc tẩy rửa hơi khó khăn

3.2 Lắng đọng muối trong đường ống vận chuyển

Khi có nước có thể xảy ra sự lắng đọng muối và ăn mòn đường ống

Lắng đọng muối thường hay gặp ở những nơi có sự thay đổi về nhiệt độ, áp suất như: đường ống sau côn, trong phin lọc thô, trong các van tiết lưu….Khi áp suất thay đổi đột ngột sẽ phá vỡ sự cân bằng và dẫn đến các loại muối vô cơ lắng đọng Sự thay đổi áp suất riêng phần CO2 cũng tạo nên sự lắng đọng mạnh muối CaCO3

Thường có mặt 3 loại lắng đọng muối chính: cacbonat( chiếm 60% chất lắng đọng), sunfat (chiếm 30%) và clorit (chiếm 10%) Ngoài ra có ít loại silicat

Một số hình ảnh minh họa cho lắng đọng muối:

Muối thường có mặt trong nước vỉa và nước đồng hành tồn tại ở 2 dạng:

+ Muối hòa tan như NaCl, CaCl2

+ Muối không hòa tan gồm các nhóm: Cacbonat ( CaCO3, MgCO3), nhóm sunfat ( CaSO4, MgSO4), nhóm silicat ( CaSiO3, MgSiO3)

Trong đó, sự lắng đọng muối sunfat là khó xử lý nhất, còn muối clorit hòa tan trong nước nên dễ dàng loại bỏ hơn

Giải pháp hóa học:

Dùng axit HCl để hòa tan muối, tuy nhiên người ta ít dùng do axit gây ăn mòn thiết bị đường ống, làm hỏng nhanh các chi tiết có cao su, các lớp cách điện

Vì vậy người ta thường sử dụng các hợp chất phốt phát tạo ra các vỏ bọc cho các tinh thể ngăn chúng dính liền nhau và không cho lắng đọng

4 Kết luận

Dầu khai thác của một số mỏ ở Việt Nam là loại dầu nhiều parafin, có độ nhớt

và nhiệt độ đông đặc cao so với nhiệt độ môi trường bên ngoài Vận chuyển dầu này bằng đường ống sẽ gặp rất nhiều khó khăn do hiện tượng lắng đọng parafin

và muối Lắng đọng parafin và muối trên đường ống khai thác, vận chuyển có thể gây nên tắc nghẽn đường ống và dừng khai thác vận chuyển

Cùng với đó, hệ thống đường ống sử dụng để vận chuyển có nhiều loại (có loại không bọc cách nhiệt), có nhiều cấp đường kính, nhiều ống đứng và khúc cong gây tổn thất thủy lực lớn

Từ những khó khăn, thách thức đó người ta đưa ra những giải pháp nhằm ngăn ngừa sự lắng đọng parafin và muối Đây là việc làm cần thiết nhằm cho phép vận chuyển an toàn dầu thô có hàm lượng parafin cao, qua đó tiết kiệm chi phí vận hành và bảo dưỡng Trên thực tế, người ta có thể sử dụng tổ hợp các giải pháp như: duy trì áp suất vận chuyển cao; giải pháp gia nhiệt kết hợp với sử dụng chất phụ gia; sơn phủ đường ống; phương pháp điện trường; tẩy rửa đường ống……

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 PGS.TS Lê Xuân Lân (2005), Thu gom, xử lý dầu-khí- nước, Hà Nội

2 ThS Nguyễn Văn Thịnh (2006), Bài giảng Công trình đường ống và bể chứa, Hà Nội

3 Đồ án môn học : “Nghiên cứu cơ chế lắng đọng parafin và giới thiệu một

số phụ gia có hiệu quả chống lắng đọng parafin cho dầu thô” của sinh viên Hoàng Mạnh Hùng