Tài liệu Nghiên cứu đánh giá hệ thống xử lý khí đồng hành cụm mỏ sư tử block 15 1 (stdsw, stv, stdne)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA Tp. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------------------------ DƯƠNG MINH PHÚ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ ĐỒNG HÀNH CỤM MỎ SƯ TỬ BLOCK 15-1 (STDSW, STV, STDNE) Chuyên ngành: Kỹ thuật Khoan-khai thác và Công nghệ dầu khí LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2008 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Phước Hảo Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Cù Xuân Bảo Cán bộ chấm nhận xét 1: Cán bộ chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2008 TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA PHOØNG ÑAØO TAÏO SÑH COÄNG HOØA XAÕ HOÄI CHUÛ NGHÓA VIEÄT NAM ÑOÄC LAÄP – TÖÏ DO – HAÏNH PHUÙC Tp. HCM, ngaøy 30 thaùng 6 naêm 2008 NHIEÄM VUÏ LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ Hoï teân hoïc vieân: DÖÔNG MINH PHUÙ Phaùi: NAM Ngaøy, thaùng, naêm sinh: 24/ 10 / 1978 Nôi sinh: NGHEÄ AN Chuyeân ngaønh: Kyõ thuaät Khoan- khai thaùc vaø Coâng ngheä daàu khí MSHV :03805654 I- TEÂN ÑEÀ TAØI: NGHIEÂN CÖÙU ÑAÙNH GIAÙ HEÄ THOÁNG XÖÛ LYÙ KHÍ ÑOÀNG HAØNH CUÏM MOÛ SÖ TÖÛ BLOCK 15-1 (STDSW, STV, STDNE) II- NHIEÄM VUÏ VAØ NOÄI DUNG: - Heä thoáng hoùa caùc phöông phaùp xöû lyù khí ñoàng haønh coù khaû naêng aùp duïng taïi VN. - Phaân tích ñaùnh giaù heä thoáng xöû lyù khí ñoàng haønh hieän coù taïi moû Sö Töû Ñen Taây Nam vaø döï kieán taïi moû Sö Töû Vaøng. - Xaây döïng caùc moâ hình Hysys & CFD (Computerize Fluid Dynamic) ñeå coù theå: • Ñaùnh giaù vaø kieåm tra caùc söï coá coù nguy cô ngöøng khai thaùc hoaëc giaûm saûn löôïng khai thaùc lieân quan ñeán heä thoáng xöû lyù khí ñoàng haønh ôû moû STÑ vaø STV. Söï taïo thaønh hydrate vaø hieäu suaát cuûa caùc bình taùch (liquild carryover). • Ñeà xuaát giaûi phaùp khaéc phuïc caùc söï coá cuûa heä thoáng xöû lyù khí ñoàng haønh vaø caùc phöông aùn gia taêng hieäu quaû söû duïng khí ñoàng haønh nhö taän thu khí ñoàng haønh thaáp aùp vaø gia taêng löu löôïng khí gaslift. III- NGAØY GIAO NHIEÄM VUÏ: 12/2007 IV- NGAØY HOAØN THAØNH NHIEÄM VUÏ: 6/2008 V- CAÙN BOÄ HÖÔÙNG DAÃN: 1- PGS. TS. Leâ Phöôùc Haûo, Ban QLDA Tröôøng Ñaïi hoïc Daàu Khí Vieät Nam 2- TS. Cuø Xuaân Baûo, Lieân doanh Daàu Khí Cöûu Long. CAÙN BOÄ HÖÔÙNG DAÃN CN BOÄ MOÂN QL CHUYEÂN NGAØNH PGS.TS. Leâ Phöôùc Haûo TS. Cuø Xuaân Baûo Noäi dung vaø ñeà cöông luaän vaên thaïc só ñaõ ñöôïc Hoäi ñoàng chuyeân ngaønh thoâng qua. Ngaøy thaùng naêm TRÖÔÛNG PHOØNG ÑT SÑH TRÖÔÛNG KHOA QL NGAØNH Nghiên cứu đánh giá hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử - Block 15-1 LÔØI CAÙM ÔN Luaän vaên ñöôïc hoaøn thaønh taïi tröôøng ñaïi hoïc Baùch khoa Thaønh phoá Hoà Chí Minh döôùi söï höôùng daãn khoa hoïc cuûa: • PGS. TS Leâ Phöôùc Haûo, Tröôûng ban QLDA tröôøng Ñaïi hoïc Daàu khí Vieät Nam. • TS. Cuø Xuaân Baûo, Tröôûng Phoøng Phaùt trieån moû, Lieân doanh daàu khí Cöûu Long. Xin chaân thaønh caûm ôn PGS. TS. Leâ Phöôùc Haûo vaø TS. Cuø Xuaân Baûo ñaõ daønh coâng söùc höôùng daãn taän tình, chu ñaùo. Trong quaù trình laøm luaän vaên, toâi ñaõ nhaän ñöôïc söï goùp yù, giuùp ñôõ nhieät tình cuûa caùc giaûng vieân, caùn boä khoa Kyõ thuaät Ñòa chaát – Daàu khí, Phoøng ñaøo taïo sau ñaïi hoïc tröôøng ñaïi hoïc Baùch khoa Thaønh phoá Hoà Chí Minh, cuõng nhö coâng ty CLJOC. Toâi xin baøy toû loøng bieát ôn chaân thaønh ñoái vôùi nhöõng giuùp ñôõ quyù baùu ñoù. Baûn Luaän vaên naøy seõ khoâng theå hoaøn thaønh neáu khoâng coù söï ñoäng vieân, khích leä cuûa gia ñình, caùc ñoàng nghieäp, baïn beø cuõng nhö caùc hoïc vieân cao hoïc khoùa 2006 chuyeân ngaønh “Kyõ thuaät Khoan-khai thaùc vaø Coâng ngheä daàu khí”, “Ñòa chaát Daàu khí öùng duïng”. Maëc duø ñaõ coá gaéng raát nhieàu, song chaéc chaén luaän vaên vaãn coøn thieáu soùt, toâi raát mong nhaän ñöôïc söï goùp yù ñeå baûn luaän vaên ñöôïc hoaøn chænh vaø coù hieäu quaû toát hôn. Xin cảm ơn. HV: Dương Minh Phú 1 Nghiên cứu đánh giá hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử - Block 15-1 TOÙM TAÉT LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ Nghaønh coâng nghieäp daàu khí ñaõ phaùt trieån taïi Vieät Nam hôn 20 naêm, ñaõ coù khaù nhieàu moû daàu-khí ñoàng haønh ñöôïc phaùt hieän nhö Baïch Hoå, Raïng Ñoâng, Sö Töû Ñen…Tuy vaäy, giaù trò cuûa khí ñoàng haønh döôøng nhö chæ ñöôïc quan taâm ñuùng möùc trong khoaûng thôøi gian gaàn 10 naêm trôû laïi ñaây. Cho tôùi thôøi ñieåm naøy (thaùng 07/2008), khí ñoàng haønh khoâng chæ coù giaù trò veà maët thöông maïi maø coøn laø moät nhaân toá quyeát ñònh ñoái vôùi caùc hoaït ñoäng saûn xuaát vaø toái öu hoùa saûn löôïng khai thaùc taïi caùc moû daàu khí ngoaøi khôi Vieät Nam. Trong khoaûng thôøi gian 5 naêm vaän haønh khai thaùc taïi moû Sö Töû Ñen (block 151), nhaø ñieàu haønh Cöûu Long JOC thöôøng xuyeân gaëp phaûi caùc söï coá lieân quan ñeán heä thoáng xöû lyù khí ñoàng haønh, gaây aûnh höôûng lôùn ñeán hieäu quaû saûn xuaát. Ñaây laø moät vaán ñeà khoù khaên khoâng chæ gaëp ôû coâng ty lieân doanh ñieàu haønh Cöûu Long (Sö Töû Ñen) maø coøn ôû caùc nhaø thaàu khaùc nhö JVPC (Raïng Ñoâng) vaø VSP (Baïch Hoå). Treân cô sôû nhöõng nghieân cöùu lyù thuyeát vaø kinh nghieäm thöïc teá vaän haønh taïi moû Sö Töû Ñen keát hôïp vôùi caùc moâ hình phaàn meàm chuyeân duïng (Hysys, CFD), taùc giaû ñaõ kieåm tra, döï ñoaùn vaø ñeà ra caùc giaûi phaùp khaéc phuïc ñoái vôùi caùc vaán ñeà lieân quan ñeán heä thoáng xöû lyù khí ñoàng haønh nhö hydrate, hieäu suaát caùc bình taùch. Döïa treân caùc thoâng soá thieát keá, taùc giaû cuõng coù moät soá phaân tích vaø nhaän ñònh veàø öu, nhöôïc ñieåm cuûa heä thoáng naøy. HV: Dương Minh Phú 2 Nghiên cứu đánh giá hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử - Block 15-1 MỤC LỤC *** NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ KHÍ ĐỒNG HÀNH TẠI CỤM MỎ SƯ TỬ BLOCK 15.1 (STDSW, STV, STDNE) # " 1. Chương 1: MỞ ĐẦU – GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 7 1.1 Mục tiêu của đề tài 7 1.2 Nhiệm vụ của đề tài 7 1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 8 1.4 Cơ sở và phương pháp nghiên cứu 8 1.5 Phạm vi nghiên cứu 8 2. Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ KHÍ ĐỒNG HÀNH 9 2.1 Các khái niệm của khí hydrocarbon 9 2.1.1 Khí thiên nhiên (Natural Gas) 9 2.1.2 Khí đồng hành (Associated Gas) 10 2.2 Các ứng dụng chính của khí đồng hành 10 2.2.1 Sử dụng khí đồng hành làm khí nhiên liệu (Fuelgas) 10 2.2.2 Sử dụng khí đồng hành làm khí bơm ép (Gaslift) 11 2.2.3 Sử dụng khí đồng hành làm khí thương mại (Sales/Export Gas) 11 2.2.4 Các ứng dụng khác của khí đồng hành (Sealgas, Pilotgas…) 11 2.3 Các vấn đề cần quan tâm khi nghiên cứu thiết kế hệ thống xử lý khí 12 đồng hành HV: Dương Minh Phú 3 Nghiên cứu đánh giá hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử - Block 15-1 2.3.1 Tính toán cân bằng vật chất của khí đồng hành đối với từng mỏ 12 (lượng khí cung cấp và lượng khí sử dụng/khí bán) 2.3.2 Phòng chống khả năng tạo thành hydrate trong đường ống 13 2.3.3 Các tiêu chuẩn, yêu cầu đối với khí đồng hành sau khi được xử lý 19 2.4 Tổng quan các qui trình xử lý khí đồng hành 2.4.1 Quá trình tách khí ra khỏi dầu 19 2.4.2 Quá trình nén ép và làm mát khí (đáp ứng yêu cầu áp suất, nhiệt độ 19 khí sau khi xử lý) 20 2.4.3 Quá trình làm khô khí (tách nước) 2.4.4 Quá trình làm sạch khí (tách khí tạp chất H2S, CO2, N2) 21 38 3. Chương 3: HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ ĐỒNG HÀNH CỤM MỎ SƯ TỬ 48 3.1 Tổng quan các phát hiện dầu khí tại lô 15-1 và các công trình, cụm thiết bị của cụm mỏ Sư Tử 48 3.1.1 Vị trí của cụm mỏ Sư Tử 3.1.2 Tổng quan về công trình, cụm thiết bị tại mỏ Sư Tử 3.2 Hệ thống xử lý khí đồng hành tại mỏ Sư Tử Đen Tây Nam (SD-SW) 3.2.1 Giản đồ công nghệ xử lý dầu – khí - nước tại mỏ Sư Tử Đen Tây Nam 48 49 53 53 3.2.2 Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý khí đồng hành tại mỏ Sư Tử Đen Tây Nam 54 3.2.2.1 Hệ thống xử lý khí bơm ép Gaslift 3.2.2.2 Hệ thống xử lý khí nhiên liệu Fuelgas 55 3.2.2.3 Hệ thống xử lý khí đồng hành làm khí chèn Sealgas 61 3.3 Hệ thống xử lý khí đồng hành mỏ Sư Tử Vàng 64 3.3.1 Giản đồ công nghệ xử lý dầu – khí - nước tại mỏ Sư Tử Vàng 66 3.3.2 Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý khí đồng hành tại mỏ Sư Tử Vàng 66 HV: Dương Minh Phú 4 Nghiên cứu đánh giá hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử - Block 15-1 3.3.2.1Hệ thống xử lý khí bơm ép Gaslift 68 3.3.2.2 Hệ thống xử lý khí nhiên liệu Fuelgas 3.3.2.3 Hệ thống xử lý khí đồng hành làm khí chèn Sealgas 3.4 Hệ thống xử lý khí đồng hành mỏ Sư Tử Đen Đông Bắc 3.4.1 Giản đồ công nghệ xử lý dầu – khí - nước tại mỏ Sư Tử Đen Đông Bắc 69 75 76 76 76 4. Chương 4: ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ ĐỒNG HÀNH CỤM MỎ SƯ TỬ 78 4.1 Vấn đề về Hydrate 4.1.1 Hydrate tạo thành tại Train Recycle Valve (TRV) trong hệ thống khí nén Gaslift 4.1.2 Tính toán chứng minh điều kiện vận hành hiện tại của TRV nằm 80 80 trong vùng tạo hydrate (sử dụng phần mềm Hysys) 4.1.3 Đề nghị phương án khắc phục cho vấn đề hydrate tại vị trí sau Van 80 TRV 4.2 Vấn đề về hiệu suất các bình tách trong hệ thống xử lý khí đồng hành 86 (liquild carry-over vào đường khí) 4.2.1 Các sự cố liên quan đến khả năng xuất hiện hydrocarbon lỏng 91 trong đường khí ra tại cách bình tách lỏng ra khỏi khí trong quá trình xử lý khí đồng hành 91 4.2.2 Các nghiên cứu để xác định hiệu xuất của các bình tách lỏng và khả năng xuất hiện hydrocarbon lỏng trong đường khí 4.2.2.1Bình tách Inlet Gas Scrubber MBF-2305 93 4.2.2.2 Bình tách 1st Suction Scrubber MBF-2310/2320 4.2.2.3 Bình Tách 2nd Suction Scrubber MBF-2313/2323 93 97 HV: Dương Minh Phú 5 Nghiên cứu đánh giá hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử - Block 15-1 4.3 Vấn đề về tận thu khí đồng hành từ mỏ Sư Tử Đen Tây Nam – 101 STDSW 4.4 Vấn đề gia tăng lượng khí bơm ép Gaslift cho mỏ STD 104 4.5 Các ưu điểm của hê thống xử lý khí đồng hành cụm mỏ Sư Tử: 4.2.3 Phương án bán và nhập khí đồng hành 106 4.2.4 Phương án tận thu khí đồng hành thấp áp 107 108 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 PHỤ LỤC 112 113 HV: Dương Minh Phú 6 Nghiên cứu đánh giá hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử - Block 15-1 CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU – GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Kỹ thuật xử lý khí đồng hành và các ứng dụng của nó luôn giữ một vai trò rất quan trọng đối với các dự án dầu khí ngoài khơi. Các sự cố liên quan đến hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử đã và đang được công ty Cửu Long đặc biệt quan tâm. Mục đích của luận văn này đó là góp phần làm sáng tỏ các nguyên nhân gây ra các vấn đề liên quan đến hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử và đề xuất một số giải pháp khắc phục các vấn đề này. 1.2 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI ¾ Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về khí hydrocarbon và hệ thống hóa các phương pháp xử lý, khả năng áp dụng các qui trình, công nghệ này đối với các mỏ tại Việt Nam; ¾ Tìm hiểu thu thập các thông tin dữ liệu của các mỏ Sư Tử Đen và Sư Tử Vàng, đặc biệt là liên quan đến hệ thống, công nghệ xử lý khí đồng hành tại mỏ. Phân tích, đánh giá hệ thống xử lí khí đồng hành hiện có trên giàn khai thác Sư Tử Đen và dự kiến tại mỏ Sư Tử Vàng; ¾ Sử dụng phần mềm Hysys, CFD để xây dựng các mô hình xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ; ¾ Dựa vào các dữ liệu, sự kiện thực tế và phần mềm Hysys, CFD để tính toán, đánh giá và dự báo các sự cố có thể xảy ra đối với hệ thống xử lý khí đồng hành tại các mỏ. Đề xuất các giải pháp khắc phục. HV: Dương Minh Phú 7 Nghiên cứu đánh giá hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử - Block 15-1 1.3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ¾ Đánh giá và kiểm tra các sự cố có nguy cơ ngừng khai thác hoặc giảm sản lượng khai thác liên quan đến hệ thống xử lý khí đồng hành ở mỏ STĐ và STV: Sự tạo thành hydrate và hiệu suất của các bình tách (liquild carry-over) ; ¾ Đề xuất giải pháp khắc phục các sự cố của hệ thống xử lý khí đồng hành và các phương án gia tăng hiệu quả sử dụng khí đồng hành như tận thu khí đồng hành thấp áp, gia tăng lưu lượng khí gaslift ; ¾ Chỉ với một sự cố nhỏ xảy ra đối với hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ này có thể làm giảm sản lượng khai thác hoặc dừng khai thác toàn giàn. Với công suất hiện tại của mỏ Sư Tử Đen 60,000 thùng/ngày và 150,000 thùng/ngày cho cả cụm mỏ (STD+STV) trong tương lai, chỉ cần dừng khai thác vài giờ là đã thất thoát hàng trăm ngàn USD; ¾ Tác giả cũng hy vọng đề tài có thể dùng làm tài liệu tham khảo, cho sinh viên năm cuối đại học, học viên cao học và các kỹ sư đang công tác trong lĩnh vực dầu khí, bổ sung tài liệu trong công tác giảng dạy, nghiên cứu và áp dụng một phần vào các dự án dầu khí mới trong tương lai. 1.4 CƠ SỞ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ¾ Nghiên cứu sơ sở lý thuyết: tìm hiểu, phân tích, chọn lọc; ¾ Liên hệ thực tế: thông số thiết kế, kinh nghiệm vận hành; ¾ Sử dụng các phần mềm chuyên dụng (Hysys, CFD) để kiểm tra, tính toán. 1.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU Hệ thống xử lý khí đồng hành hiện có tại mỏ Sư Tử Đen và hệ thống xử lý dự kiến tại mỏ Sư Tử Vàng (tháng 10/2008 đưa vào vận hành). HV: Dương Minh Phú 8 Nghiên cứu đánh giá hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử - Block 15-1 CHƯƠNG 2 CỞ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ KHÍ ĐỒNG HÀNH 2.1 CÁC KHÁI NIỆM CỦA KHÍ HYDROCARBON 2.1.1 Khí thiên nhiên (Natural Gas) Khí thiên nhiên là hỗn hợp các hydrocarbon nhẹ, chủ yếu từ C1-C4 có thể chứa đến 85% CH4 và khoảng 10% C2H6 và cũng có chứa các hydrocarbon nặng hơn như C3H8, C4H10, C5H12, và các alkan khác. Khí thiên nhiên, thường tìm thấy cùng với các mỏ dầu ở trong vỏ trái đất, được khai thác và tinh lọc thành nhiên liệu cung cấp cho khoảng 25% nguồn cung năng lượng thế giới [1]. Khí thiên nhiên chứa lượng nhỏ các tạp chất cơ học, hơi nước và các khí axít như CO2, H2S, và N2. Do các tạp chất này có trể làm giảm nhiệt trị và đặc tính của khí thiên nhiên, chúng thường được tách ra khỏi khí thiên nhiên trong quá trình tinh lọc khí và được sử dụng làm sản phẩm phụ. Khí thiên nhiên được chia làm 3 loại chính: ¾ Khí khô: Khí thiên nhiên có thành phần chủ yếu là CH4, chiếm trên 80% về thể tích, ở thể khí ngay trong điều kiện vỉa và không bị chuyển pha khi ở điều kiện bề mặt. ¾ Khí ướt: Khí thiên nhiên có chứa một phần hydrocarbon nặng mà chúng sẽ hóa lỏng ở điều kiện bề mặt. ¾ Khí ngưng tụ (khí Condensate): là các hydrocarbon lỏng trong thành phần dầu thô, rất nhẹ, sinh ra dưới dạng khí trong điều kiện vỉa (nhiệt độ và áp suất cao) và ngưng tụ thành chất lỏng trên bề mặt. Khí condensate hình thành là do ngưng tụ ngược trong điều kiện áp suất và nhiệt độ vượt quá điểm tới hạn. Trong điều kiện chuẩn, khí condensate là chất lỏng không màu hoặc phớt vàng, phớt nâu đôi khi hơi xanh, HV: Dương Minh Phú 9 Nghiên cứu đánh giá hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử - Block 15-1 khối lượng riêng nhỏ hơn dầu và lớn hơn khí. Thành phần của khí condensate ngoài các khí hydrocarbon nặng còn có chứa nhiều hydrocarbon lỏng loại parafin, naptenic và aromatic. Condensate là nguyên liệu qúi để sản xuất LPG, Naphta cho xăng hoặc làm nguyên liệu cho công nghiệp hóa dầu. 2.1.2 Khí đồng hành (Associated Gas) Khí đồng hành là khí tự nhiên được tìm thấy cùng dầu thô, có thể ở dạng hoà lẫn với dầu thô hoặc tích tụ phía trên lớp dầu thô trong mỏ dầu. Khí đồng hành khi được tách khỏi dầu thô là hỗn hợp chủ yếu gồm C2H6, C3H8, C4H10 và C5H12 [1]. Ngoài ra còn những tạp chất không mong muốn khác như hơi nước, H2S, CO2, Helium (He), và một số tạp chất khác. 2.2 CÁC ỨNG DỤNG CHÍNH CỦA KHÍ ĐỒNG HÀNH 2.2.1 Sử dụng khí đồng hành làm khí nhiên liệu (Fuelgas) Đây là một ứng dụng chính của khí đồng hành hiện nay đặc biệt là đối với các mỏ dầukhí ngoài khơi (offshore). Đối với các mỏ khí ngoài khơi, việc cung cấp nhiên liệu cho các thiết bị sử dụng tại giàn khai thác luôn là một vấn đề đáng quan tâm do khó khăn về mặt vận chuyển, chuyên chở nhiên liệu từ trong bờ. Khí đồng hành thường được sử dụng làm khí nhiên liệu (Fuelgas) cho các thiết bị (gas turbine) sau: - Hệ thống máy phát điện (Generator) – Các máy phát điện này thường là loại Gas-Turbine, nhiên liệu cung cấp chính là khí đồng hành đã được xử lý. Điện phát ra từ các máy phát điện Gas turbine này sẽ cung cấp điện năng để vận hành hầu hết các thiết bị khác trên giàn khai thác; HV: Dương Minh Phú 10 Nghiên cứu đánh giá hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử - Block 15-1 - Hệ thống máy nén khí (Lift Gas Compressor) dùng để tạo khí nén áp suất cao bơm ngược vào giếng khai thác/vỉa; - Hệ thống Boiler dùng để cung cấp nước nóng cho hoạt động sản xuất và sinh hoạt toàn giàn. Các hệ thống thiết bị sử dụng khí đồng hành làm khí nhiên liệu như đã nói ở trên luôn luôn được thiết kế sử dụng thêm nhiên liệu Diezel trong trường hợp hệ thống khí nhiên liệu cung cấp có vấn đề. 2.2.2 Sử dụng khí đồng hành làm khí bơm ép (Gaslift) Như chúng ta đã biết, trong quá trình khai thác áp suất vỉa của mỏ sẽ giảm dần và tới một thời điểm nào đó giếng không thể khai thác tự nhiên (natural flowing) được nữa. Một trong nhưng phương pháp hiệu quả và phổ biến nhất hiện này đó là sử dụng khí đồng hành (Gaslift) để bơm ngược lại vào giếng với mục đích khí hóa cột chất lỏng (thường là dầu và nước) nằm bên trên điểm bơm ép (Gaslift injection valve). Từ đó giúp khả năng khai thác của giếng tăng lên. 2.2.3 Sử dụng khí đồng hành làm khí thương mại (Sales/Export Gas) Thu gom, xử lý khí đồng hành từ các mỏ dầu-khí sẽ là một nguồn thu lớn cho nhà đầu tư. Trong trường hợp lượng khí đồng hành khai thác được ngoài mục đích sử dụng làm khí nhiên nhiệu, khí nén vẫn còn dư 1 lượng khá lớn, các nhà đầu tư cần quan tâm đến việc xử lý khí đồng hành thành khí thương mại. 2.2.4 Các ứng dụng khác của khí đồng hành (Sealgas, Pilotgas…) Ngoài các mục đích trên khí đồng hành còn được sử dụng để làm: - Sealgas: khí được sử dụng để làm kín các seal trong các thiết bị (máy nén khí….); - Pilotgas: khí mồi, là loại khí dùng để đảm bảo duy trì ngọn lửa trên đuốc của giàn khai thác (flare). Để đảm bảo về mặt môi trường khí đồng hành không được xả thẳng ra môi trường mà phải được đốt bỏ. HV: Dương Minh Phú 11 Nghiên cứu đánh giá hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử - Block 15-1 2.3 CÁC VẤN ĐỀ CẦN QUAN TÂM KHI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ ĐỒNG HÀNH 2.3.1 Tính toán cân bằng vật chất của khí đồng hành đối với từng mỏ (lượng khí cung cấp và lượng khí sử dụng/khí bán) Khi nghiên cứu, tính toán thiết kế hệ thống xử lý khí của mỏ dầu, vấn đề cần quan tâm hàng đầu đó là cân bằng vật chất (năng lượng) của khí đồng hành. - Tổng lượng khí đồng hành có thể khai thác và sản lượng khí đồng hành khai thác trong từng năm. - Lượng khí đồng hành cần dùng để sử dụng làm khí nhiên liệu, Gaslift và các mục đích sản xuất khác. Biểu đồ bên dưới thể hiện sự dự đoán về nhu cầu sử dụng khí đồng hành và lượng khí đồng hành có thể khai thác tại cụm mỏ Sư Tử Đen và Sư Tử Vàng. (đường màu đen là tổng lượng khí khai thác, màu đỏ là khí tiêu thụ và màu xanh là khí dư). Có thể thấy từ năm 2008-2014 cụm mỏ này sẽ dư ra một lượng khí đáng kể, nhưng sau đó sẽ thiếu khí. Hình 2.1: Biểu đồ cân bằng năng lượng theo khí đồng hành tại mỏ Sư Tử [5,9] HV: Dương Minh Phú 12 Nghiên cứu đánh giá hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử - Block 15-1 Do vậy, có thể thiết kế hệ thống xử lý khí đồng hành với 1 số đặc điểm chính sau: - Khí đồng hành sử dụng làm Gaslift, nhiên liệu Fuelgas… - Cần phải thiết kế cả hệ thống nhập khí cho giai đoạn sau năm 2014; - Cân nhắc, tính toán về mặt kinh tế lượng khí dư trong các năm 2008-2014 để thiết kế xử lý khí đồng hành làm khí bán (khí thương mại). 2.3.2 Phòng chống khả năng tạo thành hydrate trong đường ống 2.3.2.1 Hydrate và điều kiện tạo thành hydrate Hydrate là sự kết hợp của các phân tử nước với các phân tử hydrocarbon nhẹ, tạo ra chất rắn giống băng (đá). Sự kết hợp này hoàn toàn không phải do phản ứng hóa học mà là do chúng liên kết với nhau ở dạng tinh thể. Thông thường, hydrate được tạo ra khi khí bị làm lạnh xuống dưới điểm tạo thành hydrate của nó. Ở áp suất cao, hydrate có thể được tạo thành ở nhiệt độ khá cao, trên 32oF (0oC). Chúng ta không muốn hydrate bởi vì nó sẽ làm tắc các đường ống, các van, và các thiết bị điều khiển, làm giảm công suất của đường ống, hoặc có thể gây hư hỏng các thiết bị. Điều này đặc biệt đúng với trường hợp van tiết lưu, van điều khiển và các tấm cản dòng nhỏ nơi có sự giảm áp đột ngột xẩy ra. Áp suất giảm gây ra sự giảm nhiệt độ và làm tắc các tấm cản dòng nhỏ (small orifice) nếu hydrate được tạo ra. Sự tạo thành hydrate làm dòng chảy bị nghẽn lại thường được gọi là hiện tượng đông cứng (freezing). Hai điều kiện chính thúc đẩy sự hình thành hydrate là: - Dòng khí ở điều kiện nhiệt độ áp suất thích hợp; - Dòng khí có chứa nước tự do ở nhiệt độ bằng hoặc dưới nhiệt độ điểm sương (dew point). HV: Dương Minh Phú 13 Nghiên cứu đánh giá hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử - Block 15-1 Với một dòng khí bất kì (thành phần của khí là ngẫu nhiên) tại một áp suất cho trước, luôn có một nhiệt độ sao cho nếu dưới nó, hydrate sẽ được tạo thành, trên nó, hydrate sẽ không xảy ra. Khi áp suất tăng, nhiệt độ tạo thành hydrate cũng tăng theo. Nếu nước không có mặt trong khí, hydrate cũng không thể xuất hiện. Hình 2.2: Biểu đồ điều kiện thành tạo hydrate [10] Hydrates có 3 loại cấu trúc phân tử: SI, SII và SH (cấu trúc 1, cấu trúc 2 và cấu trúc H cho Hexagonal). Ba loại cấu trúc này cao hoặc ít ổn định hơn đầu tiên phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp hydrocarbon: phân tử kích thước nhỏ chủ yếu là SI, phân tử kích thước trung bình SII và phân tử kích thước lớn SH. Ba loại cấu trúc này đều hình thành do sự sắp xếp khác nhau của các phân tử nước: - Loại I: bao gồm 46 phân tử nước và 6 phân tử khí, hệ số hydrate 5.75 ƒ Các phân tử nước hình thành 2 khoang nhỏ là khối 12 mặt ngũ giác và 6 khoang lớn là khối 14 mặt gồm 12 mặt ngũ giác và 2 mặt lục giác; ƒ Kích cỡ của khoảng không trong các khối nhỏ, methane và ethane bị giữ lại ở trong - Loại II: bao gồm 136 phân tử nước và 24 phân tử khí, hệ số hydrate 5.67 HV: Dương Minh Phú 14 Nghiên cứu đánh giá hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử - Block 15-1 ƒ Các phân tử nước hình thành 12 khoang nhỏ là khối 12 mặt ngũ giác và 8 khoang trung bình là khối 16 mặt gồm 12 mặt ngũ giác và 4 mặt lục giác; ƒ Khối có kích thước lớn giữ lại propane, isobutane, cyclopentane và benzene… - Loại III : bao gồm 34 phân tử nước và 6 phân tử khí, hệ số hydrate 5.67 ƒ Các phân tử nước hình thành 2 ô lục giác nhỏ nhỏ và 6 ô lục giác lớn; ƒ Khối có kích thước lớn giữ lại những phân tử có kích thước lớn (lớn hơn ở hydrate loại I và loại 2). Hình 2.3: Ba loại cấu trúc của hydrates [10] Hình 2.4 Độ ổn định của các cấu trúc của hydrates [10] HV: Dương Minh Phú 15 Nghiên cứu đánh giá hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử - Block 15-1 2.3.2.2 Tác hại của hydrate và một vài phương pháp phòng chống thường áp dụng Các phương pháp để ngăn chặn sự hình thành hydrate bao gồm gia nhiệt để bảo đảm nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tạo thành hydrate, sử dụng chất ức chế hóa học để làm giảm nhiệt độ tạo thành hydrate hoặc khử nước khỏi khí để bảo đảm hơi nước sẽ không ngưng tụ thành nước tự do. Hoặc cách khác là thiết kế hệ thống sao cho khi hydrate xẩy ra, nó sẽ bị tan ra, cuốn đi theo dòng khí trước khi làm tắc nghẽn các thiết bị. Các phương pháp khắc chế có thể tóm tắt như sau: ¾ Thay đổi áp suất: Thiết kế và điều hành hệ thống ở áp suất thấp đủ để duy trì tình trạng bên ngoài khả năng hình thành hydrate. Phương pháp này không thực tế do áp lực nhằm đẩy chất lưu trong hệ thống lớn hơn áp suất đủ để hình thành hydrate ở nhiệt độ thường. ¾ Thay đổi nhiệt độ: Duy trì nhiệt độ của chất lưu bằng cách nung nóng để đảm bảo hệ thống nằm ngoài điều kiện hình thành hydrate. Sử dụng chất cách nhiệt để duy trì nhiệt độ dung dịch khai thác ở áp suất của hệ thống vận chuyển nằm ngoài ngưỡng hình thành hydrate là một lý thuyết đã được áp dụng trong các hoạt động thông thường, cụ thể trong hệ thống liên quan đến dầu nặng, nơi mà việc phòng chống hydrates lẫn wax phải xảy ra đồng thời. Tuy nhiên, thay đổi nhiệt độ bằng phương pháp cách nhiệt chỉ hiệu quả trong suốt quá trình hoạt động khi dòng sản phẩm là liên tục và ở nhiệt độ cao. Khi hệ thống ngừng hoạt động, dòng sản phẩm ngừng di chuyển và nhiệt độ giảm đi, khi đó hydrate hình thành. Và lúc đó, như đã nói ở trên, hệ thống sẽ được giảm áp. ¾ Loại bỏ yếu tố nước: Loại bỏ yếu tố nước sử dụng hệ thống tách và khử nước. Phương pháp này được sử dụng nhiều trong công nghiệp xử lý phục vụ xuất khẩu nhưng hoàn toàn không thực hiện được khi xử lý dưới đáy biển. ¾ Tách nước và khí: Phương pháp này dùng cho hoạt động khai thác dưới nước, với nước và khí được tách ra dưới biển và được vận chuyển đến hệ thống xử lý trong những ống dẫn riêng biệt. Ống dẫn khí đòi hỏi vẫn phải có chất hóa học nhằm ức HV: Dương Minh Phú 16 Nghiên cứu đánh giá hệ thống xử lý khí đồng hành tại cụm mỏ Sư Tử - Block 15-1 chế sự hình thành hydrate. Trong khi đó, đối với đường ống dẫn chất lỏng, bao gồm dầu và nước, không cần bất kì một biện pháp nào nhằm phòng chống sự xuất hiện của hydrate do đã loại bỏ yếu tố hình thành nên nó. ¾ Bơm chất ức chế: Bơm chất hóa học để ức chế sự hình thành hydrate vào hệ thống, kết hợp với việc thay đổi nhiệt độ, hai phương pháp xử lý này đã được ứng dụng rộng rãi hiện nay. Chất ức chế nhiệt động học ƒ Chất điện phân (muối) hình thành các liên kết ion với phân tử nước -Muối: sodium chloride, 20-24%, potassium hoặc calcium chloride nhưng đắt tiền và không hiệu quả ; ƒ Hợp chất phân cực (alcohols, Glycols), có tác dụng trong việc giành liên kết với các phân tử hydro: - Alcohols – methanol, ethanol, isopropanol. Hiệu quả giảm với tính bay hơi; - Glycol – ethylene, triethylene. Hình 2.5: Ảnh hưởng của NaCl đối với sự tạo thành hydrate[10] Trước khi lựa chọn phương pháp ngăn chặn hydrate hay khử hydrate, hệ thống làm việc phải được tối ưu hóa để giảm thiểu nhu cầu xử lý. Một số nhân tố được xem xét là: HV: Dương Minh Phú 17