Có hai lý do cho việc giảm áp từ hai bên của nút tắc hydrat:
- Đối với một nút duy nhất, phân ly từ cả hai bên loại bỏ mối quan tâm về an toàn khi tạo thành một “đầu đạn” trong đường ống dẫn.
- Phân ly từ hai phía loại bỏ sự làm lạnh Joule-Thomson (Hình 3.16) có thể làm ổn định phần dưới của nút, tạo tích tụ nước đá gây cản trở dòng. Với sự phân ly hướng tâm dọc nút, phân ly hai phía nhanh hơn gấp hai lần phân ly một phía.
Trong trường hợp phân ly từ hai phía, áp suất được giảm từ cả hai phía của nút hydrat thông qua điều chỉnh van tiết lưu, do đó áp suất giảm dọc theo nút không quan trọng vì nút hydrat có tính xốp và thấm để có thể di chuyển [26].
Do hai nguyên do phía trên, một nút hydrat nên được phân hủy theo giảm áp bằng cách lắp thêm một ống dẫn sản phẩm thứ cấp, nếu có thể. Hoặc, giảm áp thông qua ống dịch vụ được sử dụng để bơm chất ức chế tại đầu giếng; trong trường hợp này cần chú ý tới loại bỏ hay đi vòng qua van một chiều trên đường ống dịch vụ tại đầu giếng. Trong một số trường hợp, nó có thể đáng giá để kết nối bộ phân phối ống hoặc đầu giếng với kho chứa nổi bằng ống đứng áp suất cao, uốn được.
Hình 3.20. Giàn khai thác ngoài khơi và bộ phân phối ống [27]
Hình 3.21. Kết nối từ bộ phân phối ống [27]
3.4.1.3. Giảm áp từ hai phía của nút với áp suất thủy tính lớn
Trong trường hợp những nút hydrat hình thành nằm sâu dưới biển phương pháp bên trên có thể không áp dụng được. Khi giảm áp một ống dẫn nhiều pha ở rất sâu, áp suất thủy tĩnh của chất lỏng chống lại các mặt của nút hydrat có thể cao hơn áp suất phân ly hydrat. Tuy nhiên, việc loại bỏ dung dịch từ mỗi phía của nút hydrat có thể rất khó khăn. Cho tới hiện tại, không có nhiều tài liệu nghiên cứu về vấn đề này. Trong đề tài xin trích dẫn một phần nghiên cứu trong việc loại bỏ dung dịch tại ống dẫn có độ sâu lớn [25]. Hình 3.22 chỉ ra điều kiện cân bằng Lw-H-V theo Hercules và Jolliett trong một ống dẫn dài 90 km tại độ sâu 4000 ft tại vịnh Mexico. Khi sự tắc nghẽn xảy ra, nếu khí không được giải phóng, nhiệt độ nhanh chóng giảm tới 400F với áp suất nằm trong khoảng 2000-3000 psia, lớn hơn 5-6 lần áp suất
Đầu giếng Đầu giếng Đầu giếng Bộ phân phối
GIÀN TRUNG TÂM
ỐNG XUẤT Bộ phân phối MẶT BÍCH ỐNG ĐỨNG 6” Đư ờ ng bơm MEG
cân bằng (200 psia) tại nhiệt độ đáy biển (400F) với sự quá lạnh tại 220F. Để khởi động phân ly hydrat, cột áp thủy tĩnh phải được loại bỏ thấp hơn 200 psia, tới khoảng 150 psia nơi nhiệt độ cân bằng là 250F, ngay bên trong khu vực tạo nước đá, một gradien nhiệt độ 150F sẽ làm nhiệt di chuyển từ đại dương tới trong hydrat. Trong trường hợp xấu nhất, toàn bộ thể tích từ giàn khai thác tới bộ phân phối dòng phải được loại bỏ. Giả sử chỉ có 70% của thể tích ống dẫn được chứa đầy chất lỏng, thể tích cần loại bỏ sẽ là 12.000 thùng trong đường ống dẫn có đường kính 8 in, và 26.000 thùng trong đường ống có đường kính 12 in với độ dài 90 km. Những kỹ thuật sử dụng ở Bảng 3.1 được cân nhắc cho việc loại bỏ cột chất lỏng.
Những lựa chọn trong Bảng 3.1 chỉ yêu cầu vị trí của nút phải được xác định và đường ống có những điểm kết nối để có thể loại bỏ chất lỏng và nút bị nén. Nếu không có các điểm kết nối, đường ống sẽ phải được kết nối trực tiếp.
Hình 3.22. Điều kiện tạo thành hydrat [25]
Trong 7 lựa chọn đưa ra trong Bảng 3.1, những lựa chọn sử dụng gas lift được hạn chế do tốc độ loại bỏ chất lỏng thấp. Không có lựa chọn giảm áp nào được đề xuất; tuy nhiên, nhiều mối kết nối ở từng đoạn 5.6 km được đề xuất với việc sử dụng ống cuốn xoắn.
Làm lạnh
Điều kiện trước khi xả khí tại sàn khai thác
Điều kiện đóng giếng sau khi xả khí Áp su ấ t (ps ia) Nhiệt độ 0F
Bảng 3.1. Các kỹ thuật sử dụng để loại bỏ cột chất lỏng phía trên nút hydrat
Lựa chọn Vấn đề/hạn chế
Bơm nhiều pha tới bề mặt Triển khai tạm thời; bơm điện chìm; lượng chất lỏng phải xử lý lớn.
Thiết bị tách dưới biển; xả khí và bơm lỏng lên bề mặt
Lắp đăt phần cứng thiết bị tách/bơm dưới biển
Ống gas lift trên mỗi phía của nút hydrat
Chậm: 21 ngày để loại bỏ 12.000 thùng trong đường ống 8 in; 25 ngày để loại bỏ 26.000 thùng từ đường ống 12 in. Bơm nhiều pha với gas lift Tương tự như lựa chọn 1
Kết hợp thiết bị tách với gas lift Chậm, tương tự lựa chọn 2
Bơm nitơ từ giàn khai thác Yêu cầu lượng lớn N2 ở áp suất cao Sử dụng thiết bị nạo loại gel hoặc bọt
đi kèm với nitơ.
Thiết bị nạo gel phân tách khí và lỏng; điểm kết nối phải đủ lớn để đưa thiết bị nạo vào.
Hình 3.23. Phương pháp giảm áp –bơm nhiều pha [25]
Giàn trung tâm Bể chứa Bơm Bơm Nút hydrat 50 dặm
Hình 3.24. Giảm áp đường ống thông qua gaslift [25]
Hình 3.25. Tiến trình đề xuất để loại bỏ nhiều nút hydrat [25]
Một giải pháp thay thế việc bơm dung dịch lên bề mặt là bơm dung dịch vào một đường ống song song, không bị tắc. Phương pháp này yêu cầu những điểm kết nối dọc ống dẫn để xác định nút hydrat và chuyển chất lỏng sang ống song song.
Bể chứa Giàn trung tâm Nút hydrat Khí Lỏng 50 dặm Áp kế Bơm Áp kế Bơm Nút Hydrat Nút Hydrat Giảm áp tại tốc độ dòng chậm Áp suất ban đầu
Áp suất cân bằng
Giữ áp suất dưới áp suất cân bằng 50 dặm 50 dặm 50 dặm
3.4.1.4. Giảm áp một phía của nút hydrat
Quy trình giảm áp từ một phía của nút hydrat được tóm tắt như sau:
1. Khi chỉ có một lựa chọn để giảm áp một phía của nút hydrat, có hai mối quan tâm lớn cho việc loại bỏ nút hydrat:
(a)Nút có thể phóng ra và đẩy dọc theo đường ống, trở thành một vấn đề nghiêm trọng, gây tổn hại thiết bị, và
(b)Vì nút xốp và thấm được, làm lạnh Joule-Thomson của dòng khí có thể dẫn tới điểm cuối hạ lưutiến xa hơn vào khu vực ổn định hydrat.
2. Quy trình giảm áp sau cố gắng ấn định cả hai mối quan tâm kể trên. Trong khi sự giảm áp được sử dụng hầu hết co hydrat trước đó nó thường được sử dụng trong nỗ lực để đưa chất ức chế tới gần điểm tắc; điều này là khó khăn vì dòng chảy đang bị giới hạn.
3. Giảm áp một đường ống bằng cách loại bỏ dung dịch với một tốc độ thấp thông qua các điểm kết nối trên mỗi phía của nút. Nếu một lượng chất lỏng lớn tồn tại, quy trình giảm áp suất có thể là một trong 7 lựa chọn đưa ra ở mục trước.
4. Trước khi đạt tới áp suất phân ly hydrat, áp suất nên được giảm nhẹ (ví dụ 100 psia), thông qua các van kết nối. Sau khi mỗi lần giảm áp, cần chờ cho áp suất được cân bằng dọc nút. Độ thấm và độ xốp của nút cho phép sự truyền thông áp suất để xác định thể tích khí mỗi bên. Trong khi các nút hydrat xốp, sự cân bằng áp có thể chậm ở mức 3 psi/giờ nếu lượng chất lỏng lớn chảy xuyển qua nút.
5. Giữ ∆P thấp dọc nút hydrat sẽ làm giảm mối nguy hại của đầu đạn bằng việc cung cấp cả một động lực thấp và đệm khí ở hạ lưu. Thêm nữa, một ∆P thấp dọc nút giảm thiểu sự làm lạnh Joule-Thomson tại điểm cuối nút.
6. Giảm áp trong nhiều bước tới một mức thấp hơn áp suất cân bằng một chút, tạm dừng để sự cân bằng áp diễn ra ở mỗi bước. Không được giảm áp dưới mức đó để giảm nhiệt độ cân bằng hydrat dưới điểm tạo nước đá. Nếu áp suất được giảm quá lớn, một nút nước đá sẽ được hình thành gây khó khăn cho quá trình phân rã.
7. Nếu hydrat đang phân ly (nhưng vẫn tồn tại trong ống) áp suất sẽ tăng nhẹ tới một mức cân bằng với áp suất cân bằng tại nhiệt độ đáy biển. Nếu hydrat được
phân ly, áp suất đường ống sẽ giữ thấp hơn áp suất cân bằng.
8. Khi một nút phân ly hoàn toàn sẽ không tồn tại độ giảm áp ∆P dọc phần đó nữa.
Với trường hợp nhiều nút hydrat, một lượng khí lớn có thể bị bẫy giữa các nút, và các kỹ thuật giảm áp nên sử dụng theo giảm áp từ một phía của nút. Một mối quan tâm về an toàn được đưa ra vì nút hydrat có thể phóng ra khỏi ống dẫn như một đầu đạn và làm hư hại đường ống hay bể chứa.
Hình 3.26. Áp suất thay đổi trong quá trình giảm áp [28]
3.4.2. Phương pháp hóa học
Khi đường ống bị tắc hoàn toàn, nó rất khó để có thể nhận một chất ức chế như metanol hay etylen glycol ngay cạnh nút khi không có điểm kết nối gần kề. Trong khi các nút được chứng minh là xốp và thấm cao, được biệt trong hệ khí, một lượng khí lớn giữa các nút và điểm bơm (giàn khai thác hay đầu giếng) gây trở ngại cho việc tương tác, đặc biệt khi đường ống không thể được giảm áp để giúp khí đi xuyên qua nút hydrat.
Khi không có dòng chảy, các chất ức chế phải thay thế dung dịch trong ống thông qua sự khác biệt về tỷ trọng để tới gần nút tắc, gần với giàn khai thác. Vì các ống dẫn, có sự biến thiên khác nhau trong độ cao do đó để các chất ức chế tiếp cận nút tắc khi không chảy dòng là điều không khả thi. Tuy nhiên, những nỗ lực được
Thời gian/giờ Á p su ấ t (ps ia )
Áp suất dưới biển
Áp suất trên mặt
Áp suất chênh lệch
tiến hành đề bơm chất ức chế từ cả giàn khai thác giếng nhằm đưa chất ức chế lại gần nút tắc. Đôi khi, tỷ trọng tăng của nước biển nặng có thể cung cấp một động lực tới bề mặt nút hydrat.
Bơm ép metanol hay glycol thưởng được tiến hành đầu tiên ở một đường ống. Sự khác biệt tỷ trọng đóng vai trò như một động lực để đưa chất ức chế tới nút tắc, theo đó glycol được sử dụng nhiều hơn metanol.
Những sự phát hiện gần đây đã chỉ ra những khí nhất định có thể đóng vai trò như một dung môi. Ví dụ, nitơ và heli, có thể dễ dàng thấm qua và phân ly nút hydrat. Khi nút hydrat cơ bản thấm khí cao, phương pháp này mang tính hứa hẹn lớn, nhưng vẫn chưa được chứng minh trong thực tế.
Trong tất cả các trường hợp, những chất hóa học làm phân ly nút hydrat bị hòa tan bởi nước và khí được thoát ra trong quá trình phân ly, do đó chúng yêu cần được làm mới liên tục trong suốt quá trình.
Vì trong nhiều hệ thống dưới biển và các giếng sử dụng các chất ức chế liều lượng thấp, một điều quan trọng cần chú ý, các chất hóa học này có hoặc có thể có giá trị như những dung môi, phụ thuộc vào dung dịch mang được sử dụng. Một số sản phẩm trong thực tế sử dụng metal như một chất mang, nhưng lại khá đắt đỏ khi tiến hành với thể tích lớn.
3.4.3.Phương pháp cơ học
Ống cuốn xoắn được sử dụng như một phương pháp hiệu quả tại những nơi có thể tiếp cận. Điều này đặc biệt đúng trong các thiết bị khô. Giếng khai thác có thể được tiếp cận với các công cụ bôi trơn tiêu chuẩn cùng ống cuốn xoắn. Ống xoắn được đưa xuống giếng cho tới khi nó chạm nút tắc. Sự cân bằng áp suất được giữ ở cả hai phía của nút, nhằm ngăn chặn những di chuyển đột ngột. Metanol hoặc nước nóng được phun xuống bề mặt nút, làm mòn và phân ly chúng.
Nước nóng được sử dụng hiệu quả nơi sự truyền nhiệt được cân nhắc có thể ngăn chặn sự tái tạo thành hydrat cho tới khi dung dịch trong giếng có thể ổn định cùng với sự loại bỏ nút tắc và chất rắn. Lợi thế của nước nóng là yếu tố an toàn trong việc xử lý dung dịch thông qua những ống mềm tạm thời trên thiết bị. Metanol dễ dàng bay hơi và yêu cầu những thao tác, quy trình, thiết bị bảo hộ cá nhân đặc biệt.
Những thiết bị khác, thường được kết nối vào phần cuối của hệ ống cuốn xoắn đã được đề xuất nhưng chưa có những sự vận hành thành công nào được ghi chép lại. Chúng bao gồm những thiết kế kiểu máy kéo (tractor), hay hình cốc nhằm giúp đẩy ống cuốn xoắn xa hơn vào trong hệ thống hơn khi đẩy thông thường. Lực kéo giới hạn lưu lượng của hệ này. Khi ống càng phải xoay nhiều để định vị, ví trí đạt tới càng bị giới hạn. Hiện tại, khoảng cách ghi lại đạt ở mức 9-12 km. Rõ ràng, một máy khoan cơ có thể tăng tốc quá trình loại nút tắc và phân ly pha rắn hydrat. Các loại ống xoắn được sử dụng [30].
- Ống xoắn có kèm thiết bị khoan thủy lực (Hình 3.28)
- Một máy kéo có thể được sử dụng để để kéo ống xoắn xuyên qua đường ống dẫn từ giàn khai thác (Hình 3.29) trong những đường ống có đường kính trong lớn hơn 4 in, tốc độ 5400 ft/giờ với khoảng cách xuyên thủng đạt tới 15000 ft.
- Ống xoắn triển vọng được phát triển là ống xoắn phức hợp. Tường ống xốp cho phép khí/không khí bôi trơn trong quá trình di chuyển.
Ống xoắn có đường kính ngoài từ ½ - 3-½ in và chiều dài cực đại nằm trong khoảng 15000 tới 29000 ft [31]. Bán kính cong tại nền ống đứng trên giàn khai thác thể hiện mức giới hạn xuyên qua của ống xoắn, với bán kính tối thiểu từ 6-10 ft. Khoảng cách xuyên thủng là một hàm của kích thước ống và bán kính ống dẫn, như được chỉ ra trong Bảng 3.3.
Khi sử dụng ống xoắn, một điều quan trọng cần chú ý là nhiều nhất 170 khối khí tiêu chuẩn sẽ phát ra từ mỗi khối của hydrat phân ly. Ống xoắn phải có lưu lượng khí theo cơ chế truyền động ở mặt trước của ống. Nó sẽ ngăn cản sự đẩy ép ống cuốn và quá áp đường ống.
Bảng 3.3.Khoảng cách xuyên thủng của ống xoắn [25]
Kích thước ống xoắn (in) Kích thước ống dẫn (in) Khoảng cách xuyên (ft)
1.5 4 hoặc 6 3000-5000
1.75-2.0 4 hoặc 6 6000-8000
3.4.4. Phương pháp nhiệt
Khi đầu mút của nút hydrat không được xác định, phương pháp cấp nhiệt là khá nguy hiểm bởi vì áp suất tăng theo lũy thừa với nhiệt độ. Hai đầu mút của nút
hydrat có thể làm kín áp suất cao sinh ra từ sự phân ly hydrat với sự đun nóng, và kết quả là đường ống có thể bị nổ tung. Trong khi vị trí của nút hydrat khó xác định trong môi trường dưới biển, phương pháp này có những hạn chế ứng dụng nhất định. Tuy nhiên sự đun nóng là một lựa chọn tin cậy cho các nút hydrat trên sàn giàn khoan khai thác, nơi camera nhiệt độ được sử dụng để xác định giới hạn của nút (tại đây khả năng xuất hiện của nhiều nút được hạn chế). Tương tự như một giếng bị tắc khi đầu mút trên của nút hydrat được xác định, sự cấp nhiệt có thể là một trong những lựa chọn hàng đầu. Làm nóng một nút hydrat trong giếng có thể đạt được bằng việc sử dụng dây cáp nhiệt, tuần hoàn dung dịch khoan nóng, ống chùm nhiệt…
Những nguyên lý cơ bản cho việc loại bỏ hydrat bằng nhiệt: Sự cấp nhiệt cho nút hydrat cần nhiều sự cân nhắc và suy luận. Trong nhiều trường hợp, phương pháp được tiến hành nên được cân nhắc và bao gồm ngay trong bước thiết kế dự án từ lúc ban đầu. Những can thiệp sau khi lắp đặt với hệ thống ngoài khơi là rất khó khăn. Khi sử dụng nhiệt:
- Toàn bộ nút cần được cấp nhiệt đều (nó yêu cầu độ dài và vị trí của nút