2.5.1. Chức năng của bình tách dầu khí
Thiết bị tách thực hiện ba chức năng là: chức năng chính, chức năng phụ, chức năng đặc biệt.
2.5.1.1. Các chức năng cơ bản
Chức năng cơ bản của bình tách bao gồm tách dầu khỏi khí, tách khí khỏi dầu và tách nước khỏi dầu. Việc tách khí có thể được bắt đầu khi chất lỏng đi từ vỉa vào giếng, khi di chuyển trong ống nâng và ống xả. Vì vậy, những trường hợp (tùy theo áp miệng) trước khi vào bình tách dầu khí đã được tách hồn tồn, lúc đó bình tách chỉ cịn tạo khơng gian cho khí và dầu đi theo đường riêng. Sự chênh lệch mật độ lỏng-khí nói chung bảo đảm cho quá trình tách dầu, tuy nhiên vẫn cần đến các
phương tiện cơ khí chẳng hạn như bộ chiết sương và các phương tiện khác trước khi xả dầu, khí ra khỏi bình.
Tốc độ giải phóng khí ra khỏi dầu là một hàm số biến thiên theo áp suất và nhiệt độ. Thể tích được tách ra khỏi dầu phụ thuộc vào tích chất vật lý và hóa học của dầu thơ, áp suất và nhiệt độ vận hành, tốc độ lưu thơng, hình dáng kích thước của bình tách và nhiều yếu tố khác. Tốc độ lưu thơng qua bình và chiều sâu lớp chất lỏng ở phần thấp quyết định thời gian lưu giữ hoặc thời gian lắng. Thời gian này thường từ 1÷3 phút là thỏa mãn, trừ trường hợp dầu bọt và kết cấu của bình, chung nhất là 2÷4 phút, loại hai pha từ 30 giây đến 2 phút; loại 3 pha 2÷10 phút, khoảng thời gian có thể gặp là từ 20 giây đến 2 giờ. Hệ thống khai thác và xử lý địi hỏi phải tách hồn tồn khí hịa tan; các giải pháp như đã nêu, bao gồm rung lắc, nhiệt, keo tụ, lắng, nếu dầu có độ nhớt cao hoặc sức căng bề mặt lớn thì phải dùng các vật liệu lọc.
Nước trong chất lỏng giếng cần được tách trước khi đi qua các bộ phận giảm áp như van, vòi để ngăn ngừa sự ăn mòn, tạo thành hydrat hoặc tạo thành các nhũ tương bền gây khó khăn cho việc xử lý. Việc tách nước thực hiện trong các thiết bị tách 3 pha bằng cơ chế trọng lực kết hợp với hóa chất. Nếu thiết bị có kích thước khơng đủ lớn để tách theo yêu cầu thì chúng sẽ được tách trong các bình tách nhanh lắp ở đường vào hoặc ra của thiết bị tách có vai trị tách sơ bộ hoặc bổ sung. Nếu nước bị nhũ hóa cần có hóa chất khử nhũ.
2.5.1.2. Chức năng phụ
Các chức năng phụ của bình tách bao gồm duy trì áp suất tối ưu và mức chất lỏng ở trong bình. Để thực hiện tốt chức năng cơ bản, áp suất trong bình tách cần được duy trì ở giá trị sao cho chất lỏng và khí thốt theo đường riêng tương ứng vào hệ thống gom và xử lý. Việc duy trì được thực hiện bởi các van khí cho riêng mỗi bình hoặc một van chính kiểm sốt áp suất cho một số bình. Giá trị tối ưu của áp suất là giá trị bảo đảm hiệu quả kinh tế cao nhất khi bán dầu và khí, xác định bằng lý thuyết hoặc bằng thực nghiệm.
Để duy trì được áp suất, cần giữ một đệm chất lỏng ở phần thấp của bình tách, nó có tác dụng ngăn khí thốt theo chất lỏng, mức chất lỏng thường được khống chế bởi van điều khiển bằng rơle phao.
2.5.1.3. Các chức năng đặc biệt
Các chức năng đặc biệt của thiết bị liên quan tới việc tách dầu bọt, đến việc ngăn ngừa lắng đọng parafin, ngăn ngừa sự han gỉ, tách các tạp chất. Trong một số loại dầu thơ, các bọt khí tách ra được bọc bởi một màng dầu mỏng, tạo thành bọt phân tán trong chất lỏng. Một số loại khác lại có độ nhớt và sức căng bề mặt cao,
khi tách ra cũng bị giữ lại trong dầu tương tự như bọt. Bọt có độ ổn định khác nhau tùy theo thành phần và hàm lượng tác nhân tạo bọt có trong dầu. Dầu tạo bọt thường có tỷ trọng thấp hơn 400API, độ nhớt lớn hơn 53Cp và nhiệt độ làm việc thấp hơn 1600F. Sự tạo bọt làm giảm khả năng tách của thiết bị, các dụng cụ đo làm việc khơng chính xác, tổn hao thế năng của dầu-khí một cách vơ ích và đòi hỏi các thiết bị đặc biệt cản phá hoặc ngăn ngừa sự tạo bọt theo phương pháp rung lắc, lắng, nhiệt, hóa.
Các thiết bị tách dầu nhiều parafin có thể gặp trở ngại do parafin lắng đọng, làm giảm hiệu quả và có thể ngưng hoạt động, do bình tách hẹp dần hoặc bộ chiết sương, đường dẫn chất lỏng bị lấp, bít. Giải pháp hiệu quả có thể dùng hơi nóng hoặc dung môi để làm tan parafin. Tuy nhiên, tốt nhất là dùng giải pháp ngăn ngừa bằng nhiệt và hóa chất, phía trong thiết bị sơn phủ một lớp chất dẻo.
Tùy thuộc vào điều kiện địa chất của tầng chứa, chất lưu có thể mang theo các tạp chất cơ học như cát, bùn, muối kết tủa…..với hàm lượng đáng kể, nhất thiết phải tách chúng trước khi chảy vào đường ống. Các hạt trung với số lượng nhỏ được tách theo nguyên tắc lắng trong các bình trụ đứng với đáy hình cơn và xả cặn định kỳ. Muối kết tủa được hòa tan bởi nước và xả theo đường nước.
2.5.1.4. Hiệu quả làm việc của bình tách
Hiệu quả hoặc chỉ tiêu làm việc của thiết bị tách được đánh giá qua mức độ tách và chất lượng (độ sạch) của chất lỏng được tách.
Mức độ tách đánh giá theo sự thay đổi tốc độ khối của các chất lưu ở đầu ra và đầu vào. Ta thường đánh giá cho dầu, khí, nước.
1 2 1 G G G − ∋= (2.1) ∋: Hệ số đánh giá mức độ tách của mỗi pha như dầu ∋0, khí ∋g, nước ∋w;
1
G : Tốc độ khối cửa vào bình tách của các pha dầu G01, khí Gg1, nước Gw1;
2
G : Tốc độ khối ở cửa ra của các pha G02, khí Gg2, nước Gw2.
Khi áp suất giảm, số lượng dầu sẽ giảm và số lượng khí sẽ tăng. Trong một hệ thống thu gom kín với mọi điều kiện của thiết bị tách pha, ta đều có sự cân bằng: ∋0 +∋g= const
Hiệu quả làm việc của một thiết bị phụ thuộc vào hai chỉ tiêu cơ bản: Số lượng chất lỏng thốt ra theo đường khí đánh giá bằng hệ số mang lỏng K1 và số lượng khí thốt ra theo đường lỏng bởi hệ số Kg.
g V q K 1 1 = ; 1 Q q Kg = g ; (2.2) g q
q1, : Lưu lượng chất lỏng theo đường khí và khí theo đường lỏng;
1 ,Q
Vg : Lưu lượng khí và lỏng của thiết bị.
Thông thường K1< 50 cm3/1000 m3 và Kg< 200 lít/1m3.
Hàm lượng khí tự do đi theo đường dầu thay đổi trong một phạm vi rộng, phụ thuộc vào hình dáng, kích thước thiết bị, các trang bị bên trong, chế độ áp suất, nhiệt độ, tốc độ tách, tỷ lệ khí, chiều sâu lớp chất lỏng, độ nhớt và sức căng bề mặt của dầu.
Hàm lượng nước cũng phụ thuộc vào những yếu tố trên, ngồi ra cịn phụ thuộc vào sự va đập do giảm áp suất và tốc độ chảy, tổng hàm lượng nước, tạp chất và mức độ nhũ hóa của dầu.
Với dầu bình thường, khi thời gian lưu trữ từ 1÷6 phút, hàm lượng khí tự do trong dầu thơ ở phạm vi 15÷20% và hàm lượng nước từ 0,05÷8%.
Hàm lượng các giọt dầu ra theo đường khí rất khó xác định trong điều kiện sản xuất. Trong phịng thí nghiệm phải dùng phổ kế.
Chất lượng của nước quyết định bởi hàm lượng dầu cịn sót lại, với thời gian lưu trữ từ 1÷6 phút, hàm lượng dầu thay đổi từ 2÷0,004% khi khơng sử dụng hóa chất. Nếu chênh lệch mật độ của dầu và nước trong điều kiện vận hành của thiết bị bé hơn 0,2 thì cần phải có sự lưu ý đặc biệt vì khi đó việc tách dầu sẽ bị hạn chế và chất lượng tách sẽ thấp.
Mức độ hoàn thiện về kỹ thuật của thiết bị quyết định bởi mức độ sạch khí cũng như lỏng, năng suất (tức là tốc độ luân chuyển) và tiêu hao kim loại, thường đánh giá qua 3 chỉ tiêu:
- Đường kính tối thiểu của giọt chất lỏng được giữ lại trong thiết bị; - Tốc độ cực đại của dịng khí;
- Thời gian lưu trữ.
2.5.2. Cấu tạo chung và các bộ phận tách cơ bản của bình tách 2.5.2.1. Cấu tạo chung
Các thiết bị tách truyền thống, thơng dụng có sơ đồ ngun lý như hình vẽ (2.6). Ở trong bình có các bộ phận chính đảm bảo tách sơ cấp (hoặc tách cơ bản), lắng dầu, lưu giữ dầu và chiết sương.
Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo chung của bình tách
1: Đường vào chất lỏng giếng 7: Đường thu dầu ngưng tụ 2: Bộ phận chiết sương 8: Hệ thống Rơle phao 3: Đường ra của khí 9: Đường ra của dầu
4: Van điều khiển bằng áp suất 10: Van điều khiển mực chất lỏng 5: Bộ phận tách đầu vào 11: Đường xả đáy
6: Tấm lệch dòng 12: Cửa
Bộ phận tách cơ bản (phần A): Lắp đặt trực tiếp ở phần cửa vào đảm bảo nhiệm vụ tách dầu ra khỏi khí, tức là giải phóng được các bọt khí tự do. Hiệu quả làm việc phụ thuộc vào cấu trúc đường vào: hướng tâm, tiếp tuyến của vòi phun tức bộ phận phân tán để tạo dịng rối cho hỗn hợp dầu khí.
Bộ phận tách thứ cấp (phần B): Là phần lắng trọng lực, thực hiện tách bổ sung các bọt khí cịn sót lại ở phần A. Để tăng hiệu quả tách các bọt khí ra khỏi dầu, cần hướng các lớp mỏng chất lưu theo các mặt phẳng nghiêng (tấm lệch dịng), phía
trên có bố trí các ngưỡng chặn nhỏ, đồng thời phải kéo dài đường chuyển động bằng cách tăng số lượng tấm lệch dòng.
Phần lưu giữ chất lỏng (phần C): Là phần thấp nhất của thiết bị dùng để gom dầu và xả dầu khỏi bình tách. Dầu ở đây có thể là một pha hoặc hỗn hợp dầu khí tùy thuộc vào hiệu quả của phần A và phần B, vào độ nhớt và thời gian lưu giữ. Trường hợp hỗn hợp thì phần này có nhiệm vụ lắng để tách khí, hơi ra khỏi dầu. Ở thiết bị 3 pha, nó cịn có chức năng tách nước.
Bộ phận chiết sương (phần D): Lắp ráp ở phần cao nhất của thiết bị nhằm giữ lại các giọt dầu nhỏ bị cuốn theo dịng khí. Dầu thu giữ ở đây thì theo đường tháo khơ, chảy trực tiếp xuống phần lưu giữ chất lỏng.
Phía ngồi bình có các cửa vào và cửa ra. Cửa vào bao gồm đường chảy của hỗn hợp và cửa vào cho người khi cần vệ sinh, sửa chữa. Đường ra của khí lắp đặt ở phần cao, có van tự động điều khiển bằng áp suất. Phần thấp có đường ra của nước hoặc của cặn. Đường ra của dầu điều khiển bằng mực chất lỏng thiết kế trong bình.
2.5.2.2. Bộ phận tách cơ bản
Đây là bộ phận được lắp ngay trên đường vào của hỗn hợp dầu-khí và thời gian vào giai đoạn đầu của q trình tách. Có hai cách bố trí bộ phận tách cơ bản là theo nguyên tắc hướng tâm và ly tâm.
* Theo nguyên tắc hướng tâm
- Nguyên lý hoạt động: Nguyên tắc hướng tâm phải tạo được các va đập, phải thay đổi hướng và tốc độ dòng chảy. Hỗn hợp chất lỏng phải được phân tán, tạo rối qua các vùi phun và đập vào các tấm chắn để thực hiện quá trình tách cơ bản. Trên hình vẽ (2.7) thể hiện kiểu tách cơ bản kiểu hướng tâm dùng cho bình tách đứng và ngang. Dịng sản phẩm đi vào theo đường số 5 vào ống phân tán, qua các vùi phun 4, được tăng tốc và đập vào tấm chắn số 3 tại đây dòng sản phẩm đổi chiều chuyển động và giảm tốc độ. Lúc này khí sẽ bay lên trên, cịn chất lỏng sẽ bám vào các tấm chắn kết dính lại rồi đi xuống bộ phận tách thứ cấp theo các lỗ thoát số 6.
5 1 3 4 6 1 1 2 2 3 5
Hình 2.7: Tách cơ bản kiểu cửa vào hướng tâm 1: Thành bình 4: Vòi phun
2: Ống đục lỗ 5: Đường vào hỗn hợp 3: Tấm chắn 6: Lối thoát của chất lỏng
* Bộ phận tách cơ bản sử dụng nguyên tắc ly tâm
Trên hình vẽ (2.3) là bình tách hai pha sử dụng nguyên tắc ly tâm. Thiết bị tách kiểu này thường thiết kế hai bình hình trụ đồng tâm. Dịng sản phẩm sẽ đi vào khoảng khơng gian giữa hai bình theo hướng tiếp tuyến với thành bình, dầu có xu hướng bám vào thành bình, tùy theo loại bình tách mà có thể bố trí bộ phận tách cơ bản có cấu tạo khác nhau.
- Đối với bình tách hình trụ đứng: Sử dụng bộ phận tách cơ bản là hai bình hình trụ đồng tâm có đường kính khơng đổi. Bình trong có rãnh kiểu nan chớp, khi dòng sản phẩm đi vào theo hướng tiếp tuyến với thành bình và chuyển động theo quỹ đạo vịng xốy, do khí có lực ly tâm bé nên sẽ đi vào bình hình trụ phía trong qua các nan chớp và đi lên phía trên. Cịn lại dầu có lực ly tâm lớn sẽ bị văng ra ngồi và bám dính vào thành của bình chứa ngồi, tại đây chúng kết dính với nhau và lắng xuống dưới đến bộ phận tách thứ cấp tiếp theo.
- Đối với bình tách hình trụ ngang: Cũng sử dụng bộ phận tách cơ bản gồm hai bình hình trụ nằm ngang, trong đó bình hình trụ có đường kính thay đổi. Dịng sản phẩm đi vào sẽ được hướng theo rãnh hình xoắn ốc để tạo lực ly tâm nhằm dễ dàng phân ly pha lỏng và pha khí.
2.5.2.3. Bộ phận chiết sương
Bộ phận này có nhiệm vụ tách các bụi dầu ra khỏi dịng khí theo nguyên tắc cơ bản là thay đổi hướng và tốc độ chuyển động.
• Bộ phận chiết sương kiểu đồng tâm
Có cấu tạo đơn giản gồm 3 hình trụ ghép đồng tâm, có lỗ thốt khí số 4 và số 5, các lỗ này có nhiệm vụ hướng dịng khí được tách ra từ bộ phận tách cơ bản đi lên và xuống với các tốc độ khác nhau nhờ việc thay đổi tiết diện của các hình trụ. Khí sau khi được tách khỏi các bụi dầu sẽ đi theo đường số 7, còn các giọt dầu sẽ bám dính vào thành bình và chảy xuống phần dưới theo đường số 9.
Hình 2.8: Bộ phận chiết sương kiểu đồng tâm
1: Đường vào hỗn hợp 6: Lỗ thu khí sau khi tách 2: Thành bình 7: Đường ra của khí 3: Cửa thu khí lên bộ phận chiết sương 8: Ống đồng tâm
4: Lỗ thốt khí trên 9: Đường thu dầu ngưng tụ 5: Lỗ thốt khí dưới
• Bộ phận chiết sương kiểu nan chớp.
Bộ phận chiết sương kiểu này được sử dụng khá phổ biến bao gồm các tấm uốn lượn sóng số 3 và tấm đục lỗ thẳng đứng số 4. Khí được tách ra từ bộ phận tách cơ bản sẽ bay lên mang theo các bụi dầu đi vào chi tiết số 3 và khí chuyển động theo các khe hở song song giữa các tấm chắn lượn sóng làm cho chiều chuyển động của dịng khí thay đổi liên tục, dầu sẽ va đập vào các tấm chắn này và dính lại với nhau sau đó va đập vào các tấm chắn đục lỗ thẳng đứng. Các tấm chắn thẳng đứng sẽ hướng các giọt dầu xuống các phần thu số 7 qua đường số 8 xuống phần lắng của bình tách. Cịn lại pha khí sẽ tiếp tục đi qua các tấm chắn đục lỗ thẳng đứng và ra đường xả khí số 5.
Hình 2.9: Bộ phận chiết sương kiểu nan chớp 1: Đường vào của hỗn hợp 6: Van an toàn
2: Thành bình 7: Buồng thu chất lỏng ngưng tụ 3: Các tấm nan chớp lượn sóng nằm ngang 8: Ống dẫn chất lỏng;
4: Các tấm đục lỗ thẳng đứng 9: Đầu phun phân tán 5: Đường xả khí sau khi tách các bụi dầu 10: Tấm chặn
• Bộ phận chiết sương dạng cánh
Trên hình vẽ (2.1) là bộ phận chiết sương dạng cánh. Bộ phận này được cấu tạo từ các tấm thép ghép song song, đỉnh của các tấm thép này bố trí hướng lên phía