Tổng quan công nghệ giàn đầu giếng

Tổng quan công nghệ giàn đầu giếng

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ GIÀN ĐẦU GIẾNG

1. Giới thiệu về giàn đầu giếng

Dòng sản phẩm sau khi khai thác từ các giếng sẽ đi qua hệ thống ống góp trên giàn đầu giếng sau đó sẽ được đưa qua hệ thống tuyến ống đưa đến giàn xử lý trung tâm hoặc các tàu FPSO để xử lý

Một phần dòng sản phẩm sẽ đi qua thiết bị test separator có nhiệm vụ tách các dòng ra

để đo lưu lượng khí lỏng thu được, phục vụ cho việc theo dõi khả năng khai thác của giếng cũng như cung cấp thông tin cho việc hoạch định kế hoạch khai thác Thiết bị test separator hoạt động gián đoạn mỗi lần đo là đo cho một giếng

Trong quá trình làm sạch tuyến ống, PIG launcher được sử dụng để đưa PIG vào tuyếnống để làm sạch

Sơ đồ giàn đầu giếng được trình bày như hình dưới:

Hình 1 Sơ đồ giàn đầu giếng

Trong giàn đầu giếng sẽ bao gồm năm hệ thống công nghệ chính:

- Hệ thống ống góp và thiết bị

- Hệ thống phụ trợ

- Hệ thống điều khiển

Lift gas được đưa từ giàn xử lý trung tâm hoặc các tàu FPSO qua hệ thống tuyến ống dưới biển rồi đưa vào ống góp để phân phối xuống các giếng để tăng khả năng thu hồi dầu của giếng (lift gas manifold).

Nước biển sau khi xử lý từ giàn trung tâm hoặc các tàu FPSO được vận chuyển qua hệthống tuyến ống đến ống góp (sea water manifold) để:

- Bơm ép xuống các giếng để tăng khả năng thu hồi dầu

- Được phân phối vào các đường ống phục vụ cho việc làm sạch đường ống

- Sử dụng làm môi chất trong các thiết bị trao đổi nhiệt

Hệ thống ống góp được trình bày như hình dưới:

Hình 2 Hệ thống ống góp

2.1. Thiết bị chính

2.1.1.Hệ thống PIG

PIG (viết tắt của Pipeline Intervention Gadget) là một thiết bị được đưa vào tuyến ống, thiết bị này sẽ di chuyển dọc chiều dài tuyến ống bởi lực đẩy của một nguồn áp suất cao để làm nhiệm vụ đặc biệt nào đó.

a. Mục đích

PIG được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau tùy từng giai đoạn cụ thể

Giai đoạn xây dựng: PIG được dùng để loại bỏ các mảnh vụn còn sót lại trong quá trình thi công

Giai đoạn vận hành: PIG được phóng dùng để loại bỏ các chất lỏng tồn đọng trong ống và làm sạch thành ống

Kiểm tra tuyến ống: PIG được sử dụng để ước tính độ dày và mức độ ăn mòn của thành ống

Quá trình sửa chữa: PIG có thể được sử dụng để cô lập 1 đoạn ống nào đó.Coating: phủ chất ức chế lên bề mặt ống

b. Phân loại

Theo nhiệm vụ thì PIG được phân làm hai loại chính: PIG thường và PIG thông minh

 PIG thường: được sử dụng để thực hiện các chức năng như làm sạch, làm kín Loại PIG này cũng có thể được chia thành 2 nhóm dựa trên mục đích cơ bản của nó

• PIG làm sạch: PIG làm sạch dùng để loại bỏ chất rắn, chất bán rắn hoặc mảnh vỡ trong tuyến ống

• PIG cô lập: PIG làm kín dùng để cô lập đoạn ống trong quá trình quét hết chất lỏng khỏi tuyến, hoặc dùng để ngăn cách 2 dòng chất lỏng khác nhau cùng được vận chuyển trên 1 tuyến

• Trong hai nhóm PIG làm sạch và PIG cô lập còn có thể chia thành các nhóm nhỏ hơn được trình bày như bảng

Bảng 1 Phân loại PIG

PIG cầu Ưu điểm loại này là đơn

giản, rẻ tiền, nhẹ, chịu nhiệt tốt Nhưng lại có nhược điểm chiều dài di chuyển ngắn, không sử dụng được cho các loại ống phức tạp cũng như hiệu quả làm việc không cao

Là khối rắn đặc hoặc bơm paraffin bên trong

cầu nhưng dáng hơi khác,

có dạng hình viên đạn là chính

Là khối rắn đặc hoặc bơm paraffin bên trong

một trục chính và các thiết

bị phụ trợ đi kèm

Sử dụng để nạo vét các đường ống lớn và đường

đi dài

 PIG thông minh: loại PIG này là một công cụ kiểm tra ống có thể cung cấp thông tin

về tình trạng của tuyến ống: như mức độ và vị trí của các vết nứt, ăn mòn PIG thông minh được mô tả như hình dưới

Hình 3 PIG thông minh

c. Cấu tạo

Một hệ thống PIG hoạt động thì gồm có ba phần chính:

PIG: bộ phận quan trọng nhất của hệ thống PIG

Bệ phóng (PIG launcher): nơi PIG được đưa vào đường ống Nó có dạng đường ống, cấu trúc và kích thước tương tự đường ống chính PIG được đặt trong đó, dòng sản phẩm hoặc chất đẩy sẽ được đưa vào để đẩy PIG đi Bệ phóng được mô tả như hình dưới:

Hình 4 Bệ phóng PIG

Bộ tiếp nhận: tương tự như bệ phóng, nơi đây là bến đỗ của PIG sau quá trình hoạt động, nằm cuối tuyến ống Nhiệm vụ tiếp nhận PIG trước khi làm sạch Bộ tiếp nhận được mô tả như hình dưới:

Hình 5 Bộ tiếp nhận PIG

2.1.2.Thiết bị tách

a. Mục đích

Mục đích chính của bình tách là tách các pha khí, dầu, nước ra khỏi nhau

Ngoài ra bình tách còn sử dụng cho một số mục đích như: làm giảm sức cản thủy lực

và sự tạo thành nhũ tương trong đường ống, phá hủy các bọt khí hình thành trong dầutránh hiện tượng xâm thực trong máy bơm, tách nước ra khỏi dầu khi khai thác cácnhũ tương kém bền Loại bỏ các tạp chất đưa lên theo dầu từ vỉa sản phẩm tránh đượccác hiện tường tắc nghẽn đường ống và gây hỏng hóc máy bơm

Theo áp suất làm việc:

• Bình tách thấp áp: làm việc tại áp suất từ 1at đến 15 at

• Bình tách trung áp: làm việc từ 16 at đến 44 at

• Bình tách cao áp: làm việc từ 50 at đến 100at

Theo hình dáng: bình tách đứng, bình tách ngang, bình tách cầu Đặc điểm của các loại bình tách này được trình bày như bảng:

Bảng 2.2 Đặc điểm của bình tách đứng, ngang, cầu

Ưu

điểm Điều khiển lượng tương đốilớn lỏng mà không bị cuốn

theo dòng khíKhuynh hướng chất lỏng bay hơi trở lại bé

Chiếm không gian ngang bé

Hiệu quả với tách 3 pha khí dầu nước

Chi phí chế tạo vận chuyển rẻ

Thuận lợi lắp đặt bảo dưỡngHạn chế dòng rối và tạo bọt

Chi phí thấp hơn so vớibình ngang hoặc đứngCân đối, nhỏ gọn dễ dàng di chuyển đến nơilắp đặt

Nhược

điểm Chi phí chế tạo vận chuyểnbằng tàu cao

Cùng công suất thì bình đứng có kích thước lớn hơnbình ngang

Khó điều khiển mứcChiếm không gian lớnLàm sạch gặp khó khăn

và tạp chất rắn

Lượng lỏng vào lớn, và lượng lớn pha khí hòa tan trong lỏng

Sử dụng khi áp suất làm việc cao

Tỷ lệ khí lỏng trung bình

Lưu lượng ổn định

Theo ứng dụng:

• Bình tách kiểm tra (test separator): dùng để tách và đo lưu chất từ giếng Có thể là

bình tách đứng, ngang hoặc hình cầu Trang bị cùng với nhiều đồng hồ để đo dầu, khí,

nước nhằm đánh giá tiềm năng của giếng, kiểm tra chu kì của giếng, khảo sát giếng

Mô tả hoạt động test separator được trình bày như hình dưới

Hình 6 Mô tả hoạt động test separator

• Bình tách sản xuất (production separator): dùng để tách các lưu chất từ các giếng hoặc

trong quá trình chế biến sản xuất

• Slugcatcher: lắp đặt cuối mỗi đường ống hoặc điểm trung gian giữa đường ống Có nhiệm vụ loại bỏ các dao động đầu dạng slug ảnh hưởng tới dao động của mức chất lỏng Slug xuất hiện trên đường ống đa pha khi dao động tại bề mặt phân chia pha đủ lớn choáng toàn bộ đường kính ống làm phân tách lỏng hơi bị phá vỡ lúc này slug được tạo thành.

• Bình tách bọt: là bình tách dầu khí dùng để xử lý dầu thô có nhiều bọt

c. Nguyên lý hoạt động:

Thiết bị tách chủ yếu làm việc theo ba nguyên lý chính:

• Động lượng: pha của các dòng lưu chất khác nhau sẽ sinh ra động lượng khác nhau Khi thay đổi đột ngột hướng của dòng hai pha thì các pha nặng hơn sẽ mang động lượng lớn hơn vì thế khó trở về cùng hướng với dòng pha nhẹ Khi đó quá trình phân tách sảy ra

• Lắng trọng lực: giọt lỏng sẽ chịu tác dụng của hai lực trọng lực của chính nó và lực kéo của dòng khí, khi trọng lực tác dụng lên giọt lỏng lớn hơn lực kéo của dòng khí thì quá trình phân tách sảy ra

• Coalescer: những giọt lỏng dạng sương mù có kích thước nhỏ không thể phân tách được bằng trọng lực thì chúng phải được kết hợp lại thành hạt có kích thước lớn hơn

để có thể phân tách được bằng trọng lực

d. Các giai đoạn tách:

Các giai đoạn tách được trình bày như trong hình:

Hình 7 Các giai đoạn tách

• Phần A: là giai đoạn đầu của quá trình tách Hỗn hợp được sản phẩm tạo rối và phân tán để tách các bọt khí Tách phần lớn lỏng ở trạng thái tự do trong khí đầu vào

• Phần B: là sự tách bằng trọng lực, thực hiện tách bổ sung các bọt khí còn sót lại mà phần A chưa tách được bằng cách trải hỗn hợp thành những lớp mỏng trên mặt phẳng nghiêng Để tăng hiệu quả tách trên mặt phẳng nghiêng có bố trí các gờ chặn nhỏ, đồng thời tăng số lượng các tấm lệch dòng

• Phần C: tách các hạt lỏng kích thước nhỏ còn sót lại trong pha khí trước khi đưa dòng khí ra ngoài Tách các giọt lỏng dựa trên các cơ chế va đập, trọng lực, thay đổi hướng

và tốc độ dòng khí

• Phần D: gom lỏng tách khỏi dòng khí qua các giai đoạn tách sơ cấp, thứ cấp và

coalesce

Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách:

o Nhiệt độ tách: nhiệt độ cao hơn sẽ làm tăng sự bay hơi của hydrocacbon làm giảm lỏng thu được

o Áp suất tách: áp suất cao hơn sẽ làm hydrocacbon ngưng tụ, tuy nhiên sau khi đạt đến giá trị cực đại nhất định áp suất tăng sẽ làm giảm lỏng

o Số bậc tách: khi tăng số bậc tách tăng khả năng tách

o Kích thước hình dáng và cấu trúc bên trong thiết bị tách

o Tính chất vật lý hóa học của lưu chất đi vào bên trong bình tách

e. Bộ phận chính của thiết bị tách

Các bộ phận của thiết bị tách được trình bày như trong hình:

Tấm đổi hướng (Inlet Device):

được lắp đặt ngay lối vào của

bình tách Nâng cao hiệu

suất tách nhờ:

o Tối đa phân tách khí lỏng xuất hiện trong ống nạp

o Tối thiểu kéo theo các giọt

o Phân bố vận tốc trong pha tách tối ưu

Một số kiểu inlet device được trình bày như hình dưới:

Hình 9 Một số kiểu inlet device Hình 8 Bộ phận thiết bị tách

Lưới chiết sương: tách các giọt lỏng còn lại cuốn theo khí theo nguyên tắc ép, đổi hướng, thay đổi tốc độ chuyển động.

Phân loại lưới chiết sương

• Wire mesh (lưới đan)

• Vane pack (lưới chiết sương dạng cánh)

• Cyclone (thiết bị tạo ra lực ly tâm để tách các giọt lỏng)

• Vortex breakers: có nhiệm vụ giảm dòng xoáy giúp cho lưu chất lỏng đi ra không bị xáo trộn nhiều là nguyên nhân tạo ra khí ảnh hưởng đến thiết bị theo sau như bơm

• Weir: là tấm chặn thẳng đứng trong bồn chất lỏng Nó có tác dụng là chất lỏng nhẹ hơn sẽ tràn qua khoang bên cạnh còn chất lỏng nặng hơn và bùn cát sẽ bị giữ lại

• Foam breaker: phá bọt để quá trình tách dễ hơn

• Strainer: giúp vận tốc khí phân bố đồng đều

2.1.3. Hệ thống van

a. Mục đích

Van là một thiết bị được thiết kế để điều chỉnh hướng, cho dừng hoặc điều chỉnh lưu lượng, áp suất, nhiệt độ của dòng lưu chất Van chủ yếu được dùng trong điều khiển pha lỏng và khí

Các loại van được sử dụng phổ biến trên giàn đầu giếng là: van cửa (check valve), vancầu (globe valve), van nút (plug valve), van bi (ball valve), van bướm (butterfly valve), van an toàn (safety, relief valve),

b. Cấu tạo

Bất cứ loại van nào cũng có ba bộ phận chính là: thân van, cửa van và tay quay

Đặc điểm chả các loại van được trình bày như bảng dưới

Bảng 2 Đặc điểm của các loại

ứng dụng

theo cơ cấu tịnh tiến trục van

Đóng dòng chảy khí chắnngang toàn

bộ dòng chảy

Không làm thay đổi hướng dòng chảy

Sự sụt áp hay mất năng lượng

đi qua van nhỏKhả năng chịu được áp suất lớn

Vận hành chậmCồng kềnhKhông hoạt động ở chế

độ tiết lưu được vì sẽ làm mài mòn

Ứng dụng cho đóng

mở, trở lực thấp

Van mở hoàn toàn thì cửa không nằm trong dòng chảy của vật chất

không đều cổng van

theo cơ cấu tình tiến trục van

Dòng chảy đi qua van là dòng chảy chuyển hướngMài mòn đĩa van đồng đều

Chịu được nhiệt

độ, áp suất caoĐiều tiết được dòng chảy

Dễ điều khiển

Mất áp khi lưu chất qua van

Năng lượng vận chuyển chất lỏng nhiều hơnKhông sử dụng được với chất lỏng bẩn

Sử dụng trong van điều khiểnTiết lưu dòng hoặc đóng mở

quay 90 độCửa van chế tạo kim loại

có khe hở cholưu chất đi qua

Có thể được sửa chữa nhanh chóng hoặc rửa sạch mà không cần thiết phải tháo thân van ra khỏi hệ thốngDung được cho

áp suất chân không và nhiệt

độ thấp

ĐắtKhông hoạt động ở chế

độ tiết lưu được vì gây mài mòn nút van

Mỗi lần thay đổi vị trí cửa van và thân van sẽ gây ra mài mòn thân

cà cửa

Đóng mở trở lực vừa phải

độPhần điều chỉnh dòng chảy có cấu tạo tròn có lỗ cho vật chất

đi qua

Trở lực thấp, đóng mở nhanhHiện tượng sụt

áp và tạo xoáy qua van rất nhỏ

Dễ bị rò rỉ domài mònKhông hoạt động ở chế

độ tiết lưu được

Đóng mở, trở lực thấp

độCửa là tấm kim loại có thể quay 90

độ trong chu

vi vòng làm

Đóng mở nhanhTổn thất áp lực thấp

Sử dụng được với nhiều môi trường

Có nhiều kích

Chỉ có một kiểu lắp đặt với đường ống là lắp bíchKhông có kích thước

Van điều khiển, đóng

mở trong đường ống

có kích thước lớn

nhiều hệ thống

Có thể điều tiết dòng chảy

đường ống nhỏ có DN50trở xuống

màng dẻo có tính đàn hồi

để điều chỉnh dòng chảy

Cấu tạo đơn giản, đóng khítDòng chảy qua van đều đặn giảm tổn thất áp lực

Sử dụng cho lưuchất bẩn, ăn mòn

Áp suất chịu đựng của vanphụ thuộc vào loại vật liệu làm màng

Độ đàn hồi của màng dễ giảm

Không hoạt động ở nhiệt

độ cao

Van điều khiển

theo cơ chế tịnh tiếnĐiểm dưới là kim tiếp xúc với thân Kimđược khớp chính xác vàothành van

Điều khiển chính xác

Sử dụng được nhiệt độ cao và

áp suất cao

Sử dụng cho đường ống nhỏ

Dùng cho đồng hồ chỉbáo

Điều khiển chính xác một lưu lượng nhỏ

Van một chiều Chỉ có một

phần chuyển động là cửa van gắn liền với thân van

bở một trục bản lề

Cấu tạo đơn giản

Cấu tạo làm kín phức tạp cho bảo trì bảo dưỡng

Hoạt động không chính xác khi lắp theo phương thẳng đứng

Lắp đặt tại các vị trí tránh dòng lưu chất quay ngượctrở lại gây ảnh hưởng đến hệ thống

c. Phân loại van

Theo hoạt động van được chia thành

- Van tay: van được vận hành trực tiếp từ người vận hành

- Van điều khiển: hoạt động dựa trên tín hiệu điều khiển từ phòng điều khiển hoặc bộ điều khiển Sử dụng để đóng mở hoặc điều khiển mức, lưu lượng, áp suất, nhiệt độ, chênh áp, … Ngoài ra còn có:

o SDV (shutdown valve) là van thường mở khi gặp sự cố sẽ đóng để đảm bảo an toàn cho hệ thống

o BDV (blowdown valve) van thường đóng, trường hợp lưu lượng nhiều hoặc sự cố sẽ được mở ra để xả Các tín hiệu sử dụng để điều khiển van như khí nén, điện, thủy lực,

từ, …

- Van an toàn: PSV, PRV được sử dụng để bảo vệ quá áp, quá nhiệt cho các thiết bị đường ống Van bảo vệ hệ thống bằng cách xả ra áp lực dư thừa Ở áp suất bình thường đĩa van được đóng vào đế van và cố định bởi một lò xo bị nén trước, khi áp lực hệ thống tăng lên áp lực tạo ra bởi lưu chất và đĩa van tăng dần gần bằng áp lực lò

xo Khi vượt qua được áp lực lò xo lưu chất được xả ra

• Van an toàn (PSV): van mở nhanh, thường được dùng cho khí vì đặc tính đóng mở phù hợp phù hợp với đặc tính và nguy hiểm khi bị nén của khí

• Van xả áp (PRV): thường được dung cho chất lỏng, van đóng lại khi áp lực thấp hơn

áp lực đạt sẵn

Các loại van an toàn được trình bày như bảng dưới:

Bảng 3 Các loại van an toàn

Loại van an toàn Điều kiện hoạt

nhỏ hơn 10% áp suất cài đặt

Đơn giản, dễ lắp đặt sửa chữa, được

sử dụng nhiều trongthermal relief valve

Không triệt tiêu được áp suất ngược nên ảnh hưởng đến hoạt động của van khi

Vì bellows là cao

su mềm, đàn hồi nên rất hạn chế sửdụng ở nhiệt độ cao

khi áp suất ngược lớn hơn 50% áp suất cài đặt

Hạn chế tác động của áp suất ngược

Khi lưu chất có chứa tạp chất dễ

bị tắc đường pilot

2.1.4.Máy nén

a. Mục đích

Mục đích cơ bản của máy nén là nén lưu chất lên áp suất cao hơn áp suất ban đầu.Quá trình nén được áp dụng cho các quá trình:

- Cung cấp khí cho quá trình cháy

- Vận chuyển lưu chất trong đường ống

- Cung cấp khí nén cho những dụng cụ khí nén

- Tuần hoàn lưu chất trong một quy trình

b. Phân loại

Máy nén được phân chia thành hai loại chính:

 Thể tích: bao gồm có máy nén piton, máy nén trục vít, máy nén có khoang trượt.Nguyên lý làm việc dựa trên sự thay đổi thể tích của lưu chất, khi thể tích khí giảm thì

áp suất tăng Trong máy nén thể tích bao gồm hai loại chính là máy nén kiểu piston vàmáy nén kiểu quay Máy nén kiểu piston (Reciprocating Compressor) bao gồm mộthoặc nhiều xi lanh trong piston sẽ chuyển động tịnh tiến tới và lui Máy nén kiểu quaygồm loại như cánh, trục vít, mỗi loại sẽ được kết nối với một hay nhiều thiết bị quay(còn gọi là roto) để di chuyển một thể tích cố định trong mỗi vòng quay

 Động học: bao gồm có máy nén ly tâm, máy nén hướng trục Nguyên lý làm việc dựatrên sự thay đổi vận tốc của lưu chất, động năng chuyển đổi làm tăng áp suất Đối vớimáy nén động (Dynamic Compressor) bao gồm máy nén ly tâm (CertrifugalCompressor), máy nén hướng trục (Axial Compressor) Chúng là những máy nén vớidòng chảy liên lục được đưa vào và lực quay được tạo bởi các thiết bị quay như cánhquay (impeller) làm tăng tốc dòng khí tại đó, rồi chuyển đổi áp suất động thành ápsuất tĩnh một phần trong bộ phận quay và một phần trong bộ phận khuếch tán(diffuser)

c. Các loại máy nén phổ biến trong công nghiệp dầu khí

Đặc điểm của các loại máy nén khí được trình bày như bảng dưới:

Bảng 4 Các loại máy nén

Máy nén khí ly tâm Máy nén khí piston Máy nén khí trục vít