tiểu luận Quy trình công nghệ khai thác dầu khí

Giếng khai thác tiếp nhận dầu khí từ vỉa chứa sản phẩm thông qua phần mở vỉa, đồng thời là đường ống dẫn chất lưu lên bề mặt cũng như cung cấp chức năng điều chỉnh sản lượng khai thác chất lưu của giếng. Đường ống thu gom có nhiệm vụ tập hợp dòng sản phẩm từ các giếng khai thác và dẫn tới bình tách để tách riêng nước, khí và dầu phục vụ cho xử lý đạt yêu cầu sản phẩm dầu khí thương mại. Máy bơm, máy nén được sử dụng để vận chuyển dầu khí tới điểm tiếp nhận thông qua hệ thống đường ống xuất bán. Tính chất lưu biến của dầu và khí thay đổi theo nhiệt độ, áp suất trong suốt quá trình chảy từ vỉa vào giếng cũng như qua hàng loạt các thiết bị thu gom, xử lý. 1.1. Vỉa dầu khí Trên cơ sở các điều kiện về năng lượng nội tại và ngoại biên hỗ trợ cho quá trình khai thác, các vỉa dầu có thể được phân chia thành các loại: vỉa có hỗ trợ năng lượng nước biên; vỉa có hỗ trợ năng lượng mũ khí; vỉa có hỗ trợ năng lượng khí hòa tan; và kết hợp của nhiều dạng năng lượng

1 Quy trình công nghệ khai thác dầu khí

Một hệ thống khai thác dầu khí cơ bản bao gồm: vỉa chứa, giếng khai thác, hệ thống thu gom và xử lý dầu khí, và đường ống xuất bán sản phẩm dầu khí

Hình 1.1 Sơ đồ tổng thể hệ thống khai thác dầu khí Giếng khai thác tiếp nhận dầu khí từ vỉa chứa sản phẩm thông qua phần mở vỉa, đồng thời là đường ống dẫn chất lưu lên bề mặt cũng như cung cấp chức năng điều chỉnh sản lượng khai thác chất lưu của giếng Đường ống thu gom có nhiệm vụ tập hợp dòng sản phẩm từ các giếng khai thác và dẫn tới bình tách để tách riêng nước, khí và dầu phục

vụ cho xử lý đạt yêu cầu sản phẩm dầu khí thương mại Máy bơm, máy nén được sử dụng

để vận chuyển dầu khí tới điểm tiếp nhận thông qua hệ thống đường ống xuất bán Tính chất lưu biến của dầu và khí thay đổi theo nhiệt độ, áp suất trong suốt quá trình chảy từ vỉa vào giếng cũng như qua hàng loạt các thiết bị thu gom, xử lý

1.1 Vỉa dầu khí

Trên cơ sở các điều kiện về năng lượng nội tại và ngoại biên hỗ trợ cho quá trình khai thác, các vỉa dầu có thể được phân chia thành các loại: vỉa có hỗ trợ năng lượng nước biên; vỉa có hỗ trợ năng lượng mũ khí; vỉa có hỗ trợ năng lượng khí hòa tan; và kết hợp của nhiều dạng năng lượng

Hình 1.2 Vỉa chứa dầu khí và các dạng hỗ trợ năng lượng.

1.2 Giếng khai thác

Các giếng khai thác được khoan thẳng đứng hoặc nghiêng định hướng tới vỉa sản phẩm Đầu giếng là phần thiết bị bề mặt được lắp đặt ngay bên dưới van chủ đạo, và là nơi cố định đầu của các ống chống và đầu ống nâng Toàn bộ cụm thiết bị đầu giếng đều được đặt lên cột ống chống dẫn hướng, do vậy cột ống này luôn chịu nén và thường được trám xi măng tới bề mặt Cột ống nâng được thả bên trong cột ống chống khai thác với một được treo ngay trên đầu cột ống chống khai thác, đầu còn lại được cố định bởi packer

ở phía đáy giếng

1.2.1 Thiết bị lòng giếng

Có nhiệm vụ cách ly và điều khiển dòng sản phẩm đi theo hướng nhất định, thực hiện các quy trình công nghệ cần thiết trong quá trình khai thác nhờ kỹ thuật cáp tời mà không cần dập giếng, tiến hành công việc khảo sát giếng trong khi giếng đang hoạt động Các thiết bị lòng giếng tính từ đáy ống khai thác trở lên bao gồm:

a Phễu định hướng

Ống hình côn, miệng quay xuống đáy giếng, gắn ở đáy cột ống nâng có nhiệm vụ hướng các thiết bị đo thả bẳng tời đi qua đáy cột ống nâng trong quá trình khảo sát hay sửa chữa giếng một cách dễ dàng không bị vướng Ngoài ra phễu còn có khả năng tạo dòng xoáy giúp đưa nước và cát lên bề mặt kịp thời

b Thiết bị định vị

Có nhiệm vụ định vị, cách ly và khóa giữ ác thiết bị chuyên dụng (van cắt, van an toàn giếng sâu …) điều khiển dòng tùy theo các yêu cầu kỹ thuật khác

c Ống đục lỗ

Đoạn ống dài khoảng 300 – 500 mm, không nhỏ hơn đường kính trong của ống khai thác và được đục lỗ 10 mm với tổng tiết diện các lỗ lớn hơn tiết diện ngang của ống khai thác Ống này cho phép dòng sản phẩm chảy liên tục vào ống khai thác trong khi tiết hành các thao tác khảo sát giếng bằng kỹ thuật cáp tời

d Van cắt

Là một nút chặn tạm thời thường được đặt dưới paker thủy lực có chức năng tạo vùng kín tạm thời nhằm mục đích mở packer, thiết bị bù trừ và đưa chúng vào làm việc

e Packer

Thiết bị cách ly vùng không gian vành xuyến giữa cột ống khai thác và ống chống khai thác, nhằm bảo vệ ống chống khai thác; kiểm soát áp suât và điều khiển dòng sản phẩm; tiết kiệm và duy trì năng lượng khai thác; đáp ứng yêu cầu của các phương pháp khai thác cơ học

f Van tuần hoàn

Van này có nhiệm vụ tạo dòng tuần hoàn tạm thời giữ vùng không gian ngoài và trong cột ống khai thác mà không cần tháo thiết bị đầu miệng hay cột ống nâng trong các thao tác gọi dòng, bơm hóa chất, dập giếng hay tiến hành sữa giếng Có thể thả nhiều van tuần hoàn trong một giếng khai thác và các van này hoạt động theo thứ tự có chọn lọc

g Thiết bị bù trừ

Dùng để bù trừ sự thay đổi độ dài của ống khai thác dưới tác động của nhiệt độ, áp suất và trọng lượng chính bản thân cột ống khai thác

h Túi hông

Là một dạng đặc biệt của thiết bị định vị, gắn phía ngoài cột ống khai thác dùng để đặt van điều khiển, van tuần hoàn, van bơm ép hóa chất, van tiết lưu hay van gaslift khởi động mà không ảnh hưởng đến tiết diện của ống khai thác và cho phép các thiết bị thả bằng cáp tời có thể qua lại một cách dể dàng

i Van an toàn giếng sâu

Dùng để đóng giếng ngăn dòng sản phẩm phun lên bề mặt khi có sự cố trong hệ thống khai thác Van này có thể làm việc ở chế độ tự động hoặc điều khiển từ bề mặt

1.2.2 Thiết bị miệng giếng

Tùy thuộc và điều kiện địa chất và đặc tính vỉa mà cấu trúc giếng khác nhau, thông thường đựa chia ra làm ba bộ phận sau:

Hình 1.3 Sơ đồ đầu giếng khoan cùng với cây thông khai thác

a Đầu treo ống chống

Là phần thiết bị bề mặt được lắp đặt ngay bên dưới van chính, là nơi cố định đầu của các ống chống và đầu ống nâng Tùy thuộc vào chương trình chống ống khi khoan giếng, một vài đầu cột ống chống được lắp đặt ngay sau khi trám xi măng Đầu ống chống được cấu tạo hình côn bên trong để giữ nêm treo cả cột ống chống Dùng để làm kín khoảng không ngoài ống chống, treo ống khai thác và là bệ đặt của cây thông khai thác Những yêu cầu trong cấu trúc của đầu ống chống là:

 Đảm bảo độ kín khoảng không ngoài ống chống

 Kiểm tra được áp suất của các tất cả khoảng không ngoài ống chống

 Treo được nhiều loại ống chống khác nhau đối với một loại đầu ống chống

b Đầu ống khai thác

Bộ đầu treo đầu ống khai thác nằm ngay bên dưới cây thông và được nối với đường ống dập giếng và đường tuần hoàn nghịch Tất cả các đầu ống chống đều được lắp áp kế hiển thị áp suất trong khoảng không vành xuyến giữa các cột ống Có các chức nắng sau:

 Treo cột ống khai thác

 Làm kín và cho phép kiểm tra áp suất ngoài cần

 Gọi dòng, dập giếng và khai thác giếng …

 Điều chỉnh chế độ làm việc của giếng và khảo sát giếng

c Cây thông khai thác

Cụm thiết bị khai thác được lắp đặt ngay bên trên thiết bị đầu giếng được gọi là cây thông và được sử dụng để kiểm soát dòng chảy sản phẩm của giếng Cây thông được kết nối với đầu cột ống nâng thông qua một thiết bị nhỏ đặc biệt Van chính được lắp ngay bên dưới đường ống dẫn sản phẩm Ngoài ra, cây thông còn được trang bị các van nhánh, van đỉnh để dễ dàng điều chỉnh dòng hoặc đóng giếng khi cần thiết Một áp kế thường được lắp trên đỉnh của cây thông để báo áp suất bên trong cột ống nâng Các áp kế khác được lắp đặt cùng với các van nhánh để kiểm soát dòng chảy chất lưu

Trong tất cả các giếng đang hoạt động, lưu lượng chất lưu được điểu chỉnh bởi các van điều dòng (choke) lắp tại mỗi nhánh khai thác Van điều dòng tạo đối áp cho toàn bộ thiết bị lòng giếng cũng như điều chỉnh giảm áp đáy giếng tránh làm hỏng vỉa Với giếng khai thác khí, van điều dòng còn có tác dụng làm giảm ngưng tụ khí hoặc thành tạo hydrat khí trong ống nâng Vận hành cụm thiết bị đầu giếng khai thác cần có quy chế đóng và mở cụ thể Trước khi mở van điều tiết phải tiến hành kiểm tra toàn bộ thiết bị khai thác trên bề mặt, đặc biệt là van an toàn, các đầu nối, thiết bị trao đổi nhiệt, nhằm đảm bảo dòng chất lưu chảy thông suốt qua hệ thống thu gom xử lý Ngoài ra, các thùng chứa, bể chứa cũng cần phải sẵn sàng và đảm bảo đủ cho lần mở giếng

1.3 Thu gom và xử lý dầu khí

Thu gom dầu khí là quá trình vận chuyển sản phẩm khai thác theo đường ống từ các giếng đến các điểm thu gom trung tâm Thu gom dầu thô tại mỏ có thể nhờ áp lực miệng giếng, chênh lệch địa hình giữa đầu vào và đầu ra của đường ống hoặc dùng máy bơm Quy trình thu gom dầu khí phải được tiến hành đồng thời với việc đo lưu lượng từng giếng nhằm hiệu chỉnh các thông số thiết kế khai thác giếng, kiểm tra và điều chỉnh khai thác toàn bộ mỏ

Quy trình xử lý để nhận được dầu thương phẩm được gọi là xử lý dầu thô Xử lý dầu thô bao gồm các quá trình tách khí, ổn định dầu, tách nước, tách muối, làm sạch nước thải khỏi dầu bị nhũ tương hóa và các tạp chất cơ học Xử lý dầu khí tại mỏ là công việc cần thiết nhằm làm giảm chi phí vận chuyển, giảm sự ăn mòn các thiết bị và hệ thống vận chuyển dầu khí

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý thu gom và xử lý khai thác ngoài khơi

1.3.1 Bình tách

a Bình tách test

Dùng để tách lưu lượng từ một hay nhiều giếng để phân tích và đo lưu lượng một cách chi tiết Bằng cách này, có thế xác định chất lượng chất lưu trong điều kiện dòng chảy áp suất khác nhau Giai đoạn này thường diễn ra khi giếng bắt đầu được đưa vào khai thác và sau đó đều đặn, thường là một đến hai tháng Bộ phần này cũng có thể được

sử dụng để sản xuất khí đốt để phát điện

b Bình tách khai thác

Dòng chảy dầu khí là dòng đa pha luôn có lưu lượng lớn, chảy rối, dãn nở mạnh, đôi khi có tham gia của hơi nước, nước và lẫn cả cát Tách dòng chất lưu thành những dòng đơn pha thì qua nhiều giai đoạn và áp suất thường giảm trong nhiều giai đoạn Thông thường sẽ trải qua ba giai đoạn để tách riêng biệt các thành phần đó, mục đích là thu được lưởng lỏng tối đa và ổn định dầu và khí, tách loại bỏ nước. Trong thực tế có 3

loại bình tách được phân loại thành: bình tách đứng; bình tách ngang; và bình tách hình cầu

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý tách ba pha nằm ngang

1.3.2 Xử lý khí và nén

Xử lý khí trải qua một số giai

đoạn, mỗi giai đoạn lấy khí từ một

mức áp suất thích hợp trong bình

tách khai thác, và từ những giai

đoạn trước đó Một giai đoạn điển

hình được hiển thị bên hình 1.6, khí

sẽ được làm lạnh lần đầu thông qua

bộ trao đổi nhiệt Sau đó nó đi qua

máy sàn để loại bỏ chất lỏng và cuối

cùng đi vào máy nén để nén khí

Bao gồm các thành phần:

a Bộ trao đổi nhiệt

Để máy nén hoạt động hiệu quả thì nhiệt độ khí cần phải thấp Nhiệt độ càng thấp thì năng lượng ít tiêu hao, tuy nhiên dòng chất lưu từ giếng lên thì nhiệt độ khá là nóng nên ta cần phải làm mát dòng khí Có hai loại trao đổi nhiệt là dạng tấm và dạng ống Các chất lỏng làm mát thường là nước tinh thiết, ức chế ăn mòn Khi thiết kế bộ trao đổi nhiệt thì cần phải chú trọng đến cân bằng năng lượng nhiệt

b Máy sàn và máy nghiền

Khi tách chất lưu hay qua trao đổi nhiệt thì có tích tụ các hạt lỏng, cần loại bỏ nó trước khi đưa vào máy nén, nếu không chúng sẽ làm mòn các thiết bị trong máy nén Máy sàn và máy nghiền sẽ loại bỏ các hạt lỏng này thông qua việc glycol hấp thụ Glycol đã

xử lý được bơm từ bể chứa, nó chảy từ mức này đến mức khác so với dòng khí khi nó

tràn qua các mép của mỗi cái bẫy Sau khi hấp thụ các chất lỏng xong thì chúng ta sẽ tái chế glycol để tiếp tục quá trình bằng cách loại bỏ chất lỏng hấp thụ theo sơ đồ bên dưới

Hình 1.6 Tái chế glycol

c Máy nén

Máy nén được sử dụng trong nhiều giai đoạn của quá trình khai thác dầu khí, từ lúc khai thác đến các nhà máy khí, đường ống, và các nhà máy hóa dầu. Máy nén được sử dụng để cung cấp khí với áp lực cao cho vận chuyển bằng đường ống hoặc cho khí nâng

Có hai dạng máy nén được sử dụng trong vận chuyển khí: máy nén dạng piston và máy nén dạng ly tâm

1.4 Vận chuyển dầu khí

Sau khi được xử lý tách dầu khí và nước, sản phẩm thương mại sẽ được vận chuyển tới tàng trữ hoặc xuất bán bán Các loại bơm dạng piston hoặc máy nén khí được sử dụng tương ứng cho dầu và khí để cung cấp năng lượng cơ học cần thiết để đẩy dầu và khí qua đường ống

Đường ống dẫn dầu, khí hoặc các sản phẩm của công nghiệp dầu khí có tầm quan trọng đặc biệt trong khai thác dầu khí từ thu gom cho tới phân phối So với các phương tiện vận chuyển như tàu biển, đường ống có ưu thế đặc biệt do vận chuyển ổn định, liên tục với khối lượng lớn đi quãng đường xa với giá thành thấp Vận chuyển dầu khí bằng đường ống có tính linh hoạt rất cao và có khả năng vượt qua những phức tạp của địa hình cũng như khắc nhiệt về môi trường xung quanh Trong hệ thống thiết bị khai thác dầu khí ngoài biển, đường ống nội bộ mỏ có nhiệm vụ kết nối các giàn đầu giếng với giàn hoặc tàu xử lý trung tâm Đường ống xuất bán sẽ dẫn dầu tới tầu chứa và dẫn khí về bờ và tới

hộ tiêu thụ

2 Hiện tượng lắng đọng paraffin

2.1 Khái niệm về dầu paraffin

Dầu parafin là hỗn hợp các hydrocacbon dạng rắn ở điều kiện bình thường Lắng đọng parafin rắn là một hỗn hợp gồm các tinh thể parafin và một số chất khác Trong hỗn hợp thường parafin chiếm 10 đến 75%, asphalt 2 đến 5%, hắc ín 10 đến 30%, tạp chất cơ học 1 đến 5%

Theo tiêu chuẩn ROCT 912-66 dầu nhiều paraffin được phân loại dựa vào hàm lượng các paraffin cao trong phân tử này Khi hàm lượng lớn hơn 6% trọng lượng của dầu gọi là dầu nhiều paraffin

2.2 Sự lắng động của paraffin

Các lớp lắng đọng paraffin là hỗn hợp carbonhydro rắn với các chất nhựa asphalten, chất keo có hàm lượng phân tử cao, nước và cặn cơ học Tỷ lệ các thành phần của paraffin lắng đọng thay đổi diện rộng, tùy thuộc vào thành phần dầu và vị trí lấy mẫu Khi nhiệt độ dầu giảm, trước hết lượng carbonhydro trơ (khó nóng chảy, khả năng hòa tan kém) sẽ tách ra khỏi dầu Bởi vậy phần chính các lớp paraffin lắng đọng bao gồm paraffin khó nóng chảy cùng với hỗn hợp chất keo, nhựa và chất thơm Càng xa miệng giếng hàm lượng paraffin rắn trong thành phần paraffin lắng đọng càng giảm, lượng carbonhyđro lỏng càng tăng

Như vậy nhiệt độ nóng chảy của paraffin rắn nói riêng và hỗn hợp paraffin lắng đọng nói chung sẽ giảm đi Lớp paraffin lắng đọng sẽ gắn chặt vào thành ống có thành phần hạt nhỏ, mật độ cao và chứa một lượng carbonhyđro rắn lớn hơn lớp ngoài có dạng thô hơn Điều này chứng tỏ rằng, trong quá trình tích tụ các lớp paraffin những hạt tinh thể paraffin nhỏ nhất liên kết nhau, gắn chặt nhau và đẩy pha lỏng như: chất nhựa, chất thơm nằm giữa chúng ra ngoài

2.3 Điều kiện tạo lớp lắng động paraffin

Có ba yếu tố tạo điều kiện hình thành các lớp lắng đọng paraffin:

 Yếu tố nhiệt độ: Sự tồn tại trong dầu những hạt rắn paraffin tách ra từ trạng thái hòa tan khi dầu bị nguội

 Yếu tố khí: Dòng chảy trong đường ống có lẫn khí tự do

 Yếu tố độ nhớt: độ nhớt của dầu Ngoài ra do trạng thái bên trong của thành ống có độ nhám lớn, không nhẵn bóng làm tăng hệ số ma sát dẫn đến mất năng dọc đường, kéo theo tổn hao áp suất bơm chuyển tăng Khi áp suất giảm nhanh và giảm đến một giá trị nào đó thì khí bắt đầu tách ra khỏi hỗn hơp Khi đó trạng thái của hệ mất công bằng về nhiệt động học làm cho các tinh thể paraffin có điều kiện hình thành

Bên cạnh đó, nhiệt độ kết tinh của tinh loại paraffin của mỗi loại dầu khác nhau, ở mỗi mỏ dầu khác nhau, có nhiệt độ kết tinh khác nhau Nhiệt độ kết tinh của paraffin là nhiệt độ mà tại đó các phân tử paraffin bắt đầu hình thành tinh thể Tại nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ kết tinh thì dầu thô là một chất lỏng Newton, còn ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh thì dầu thô là một chất lỏng phi Newton

2.4 Cơ chế kết tinh paraffin

Khi nhiệt độ của dầu giảm xuống đến nhiệt độ kết tinh paraffin, các tinh thể paraffin bắt đầu hình thành ở trạng thái đơn Mặc dù vậy hiện tượng lắng đọng vẫn chưa xảy ra,

các tinh thể paraffin có khuynh hướng phân tán vào trong dầu nếu nhiệt độ thành đường ống và nhiệt độ dầu là như nhau

Vận chuyển dầu thô trong điều kiện nhiệt độ môi trường thấp, đường ống không được bọc cách nhiệt, trên thành đường ống luôn lạnh hơn phía dưới bên trong, và hiện tượng kết tinh, lắng đọng paraffin liên tục xảy ra nếu nhiệt độ thành ống tiếp tục nhỏ hơn nhiệt độ dầu trong đường ống

Như vậy, giảm nhiệt độ của dầu và giảm chênh lệnh nhiệt độ giữa thành ống và dầu

là hai yếu tố quan trọng nhất quyết định đến khả năng kết tinh và lắng đọng paraffin Ngoài ra một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến quá trình này là độ nhám bề mặt thành ống, kích thước và hàm lượng paraffin tạo thành, chế độ dòng chảy…

Khi nghiên cứu dòng chảy của dầu thô trong đường ống một cách chi tiết, người ta

đã đưa ra hai cơ chế quan trọng của sự hình thành lớp lắng đọng trên bề mặt thành ống

Đó là cơ chế khuếch tán phân tử và cơ chế khuếch tán tinh thể và trược phân tán

2.4.1 Cơ chế khuếch tán phân tử

Khi nhiệt độ thành đường ống giảm đến nhiệt độ kết tinh paraffin thì cơ chế khuếch tán phân tử bắt xuất hiện Nguyên nhân dẫn đến sự vận động của phân tử paraffin theo cơ chế này là do paraffin kết tinh trên thành ống làm mật độ phân bố paraffin giữa các vùng trên cùng một mặt cắt dòng chảy không đồng đều Paraffin khuếch tán từ trong lõi dầu nơi có mật độ cao ra vùng sát thành ống nới diễn ra quá trình kết tinh, có mật độ paraffin nhỏ

Tố độ khuếch tán của paraffin hoà tan ra thành ống được tính theo phương trình Fick:

.dC . dC . dT

� �� � (2.1) Trong đó:

m: Khối lương paraffin khuếch tán và kết tinh trên thành ống trong một đơn vị diện tích trong thời gian 1 giây (kg m s/ 2. )

 : Khối lượng riêng của paraffin rắn (kg m/ 3 ) D: Hệ số khuếch tán của paraffin trong dầu (m2/s ), tỷ lệ nghịch với độ nhớt động lực của dầu

dC/dT: Gradien tập trung paraffin hòa tan theo nhiệt độ (1/0C) dT/dr: Gradien nhiệt độ theo khoảng cách (0C/m)

Trên nhiệt độ bão hòa paraffin, dầu chưa bão hòa paraffin và gradien tập trung paraffin bằng không Hệ số khuếch tán và garadien tập trung paraffin tăng ngay khi nhiệt

độ thành ống giảm tới nhiệt độ kết tinh paraffin Tốc độ khuếch tán tăng với giá trị lớn