Tổng quan về tác động cải thiện tính lưu biến của dầu thô Paraphin bằng từ trường nam châm Nd-Fe-B

Tổng quan về tác động cải thiện tính lưu biến của dầu thô Paraphin bằng từ trường nam châm Nd-Fe-B

CHUONG 1- TONG QUAN

1.1 Tinh chất và thành phần của đâu thô Việt Nam

Đầu mồ là một hỗn hợp rất phức tạp, bao gồm hang tram cấu tử khác nhau Mỗi loại dầu được đặc trưng bổi thành phần riêng, song về bản chất, chúng đều

có hydrocarbon là thành phần chính, chiếm 60 - 90% khối lượng đầu, còn lại là các hợp chất chứa oxy, lưu huỳnh, các hợp chất cơ kim, các chất nhựa, asphalten, Dau càng nhiều hydrocarbon, càng ít thành phần dị nguyên tế thì chất lượng đầu càng cao và càng có giá trị kinh tế [6]

Paraphin tổn tại trong đầu ở cả ba trạng thái: rấn, lỏng, khí và cùng với các

chất nhựa asphanten tạo thành một hệ keo đa phân tán Các paraphin rấn (C;; trở

lên) đều có nhiệt độ nóng chảy cao nên khi hàm lượng của chúng trong dầu lớn

sẽ làm tăng nhiệt độ đông đặc của đầu, gây nhiều khó khăn trong quá trình khai thác và vận chuyển Dầu có hàm lượng paraphin rắn > 6% được gọi là dầu nhiều paraphin

Nhiệt độ bão hoà paraphin của dầu, tày theo từng khu vực, thay đổi từ Só°C đến 6I°C, nhiệt độ nóng chây các paraphin tách ra từ đấu thay đổi từ 55 đến

1.1.2 Dau Réng

Các tính chất của đâu Rồng tách khí được trình bày trong bang 1.1 Dau

được khai thác với các đặc trưng lý hoá khác nhau, hàm lượng các chất nhựa- asphanten từ 5,8 đến 10,8%, hầm lượng paraphin nhỗ hơn so với đầu Bạch Hể, từ 12,1 đến 15,5% Phần lớn đầu là loại để đông đặc vì điểm đông từ 28 - 31°C

Hàm lượng nhựa asphanten, % 11,70 4,00 300 | 18,80) 5,86

Nhiệt độ bảo hòa dầu vỉa bởi 493 51,0 51,6 | 56,0 | 56,0 paraphin, °C

Nhiệt độ bảo hòa dầu tách khí 55,5 37,5 39,1 59,0 | 38,0

Công thức này có thể viết dưới dạng

t=udu/dy=py

đó : là đề nhớt Newton

+; là Ứng suất trượt du/dy : vận tốc biến đạng

Có thể thấy rằng u là lực tiếp tuyến trên mội đơn vị diện tích tác động lên các lớp chất lỗng cách nhau một đơn vị khoảng cách và có vận tốc khác nhau Đối với chất lống Newton, w chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất, không

phụ thuộc vào tốc độ trượt Đồ thị biểu diễn sự liên hệ giữa ứng suất trượt và tốc

độ trượt của chất lỏng được gọi là đường cong lưu biến Đối với chất lỏng

+

Newton đó là một đường thắng có hệ số góc H H chính là fl ộ nhớt đặc trưng hoàn 4

toan cho chat léng Newton [9]

œ

Hình 1.1 : Dudng cong chay cla chat lang Newton 1.2.2 Chat long phi Newton

Chất lỏng phi Newton là chất lổng có đường cong lưu biến không tuyến tính

Độ nhớt của chất lỏng phi Newton không phái là hằng số ở một nhiệt độ và áp suất nhất định mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như tốc độ trượi của chất

1.2.3 Tính hm biến của đầu thô:

Đầu thô khi ở điều kiên vỉa có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ điểm sương (nhiệt

độ tại đó paraphin rắn trong dầu bắt đầu kết tỉnh) là một chất lỏng Newton và khi

nhiệt độ của nó xuống thấp hơn nhiệt độ này thì dầu mang đặc tính của chất lỏng

Bingham, là loại chất lỏng phi Newlton có độ nhớt không phụ thuộc vào thời gian Tính chất của loại chất lông này được mô tả dưới dạng phương trình [22]:

y =fŒ)

Céng thife nay cho thay t6c dé chuyén ding (y’) tai bat Ki diém nao của chất

lỏng là một hàm đơn giản của ứng suất trượt (t)

Đường lưu biến của chất lồng Bingham là một đường thẳng cắt trục ứng suất

trượt tại điểm tụ Ứng suất trượt giới hạn +y là ứng suất xuất hiện trước khi hiện

tượng chảy xảy ra Phương trình lưu biến cho chất lỗng Bingham được viết như

sau:

1 = Ty~HpY`;¡t>1y Trong đó, tạ là độ nhớt hoặc hệ số biến dạng của chất lỏng, là hệ số góc của đường cong lưu biến Người ta chấp nhận rằng ở trạng thái đừng chất lỏng Bingham chứa các cấu trúc 3 chiều có ứng suất biến dạng đủ để cân bằng với bất

cứ lực nào nhỏ hơn ứng suất biến dạng ty Nếu lực nầy vượt quá ứng suất biến

Vân tốc, trudt i/s

Hình 1.2 : Đường cong chảy của một hat long

1.3 Hiện tượng lắng dong paraphin-nhựa-asphanten trong đầu thô:

thường xuyên ở trong trạng thái trao đối nhiệt rất mạnh với môi trường xung v

quanh (nhiệt độ nước biển ở vùng mỏ Bạch Hổ, Rồng thường là 20 - 229C, đôi

động của dấu, gây hiện tượng lắng đọng trên thành đường ống dan dau

Tuy theo vị trí của các đoạn ống dẫn khác nhau, hiện tượng lắng đọng xây

- Dạng lắng đọng vẩy xốp hoặc nhão: gồm những hạt paraphin rêng biệt, không liên kết chặt với nhau và không bám chặt vào bê mặt kim loại của

thiết bị, Dạng lắng đọng này tạo thành ở bình đo, bể chứa hoặc thậm chi trong

đường ống vận chuyển khi vận tốc chất lông rất nhỏ {9],{14],

^“

Sự lắng đọng paraphin không phụ thuộc vào mặt cắt của đường ống, nó đạt

cực đại ở những đoạn đầu của đường ống và giảm dần theo chiêu chuyển động

Tốc độ lắng đọng paraphin phụ thuộc vào tính chất hóa lý của dầu, hàm lượng

hydrocarbon rin, diéu kiện thuỷ động học, các đặc tính thuỷ lực học của dòng

xây £

82

+; : độ bên paraphin, hay luc bam vao thanh Ong (g/cm’)

BP

Trong đường ống có bề mặt nhám, lực bám của paraphin vào thành ống lớn

hơn lực bám giữa các lớp paraphin với nhau, do đó dòng chảy chí tẩy được từng

lớp lắng đọng

Trong đường ống có bề mặt nhắn (đường ống có phú lớp chất dẻo), lực bám

của paraphin vào thành ống nhỏ (ty nhỏ ), đồng chấy chất lỏng có thể tẩy được

thiết điện hiệu dụng của đường ống d mor

va de doa su an toan của hệ thống vận chuyển

Quá trình lắng đọng paraphin trong đầu chiu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như: nhiệt độ, áp suất, thành phần các hợp chất có trong dầu, bễ mặt của thành ống dẫn,

1.3.2 Các yếu tố ảnh huưồng đến quá trình lắng đọng paraphin trong dầu thê:

tan Trong quá trình khai thác, các điều kiện nhiệt động thay đối, do ấp suat via

giắm dân, sự bay hơi các phần đoạn cacbuahydro nhẹ làm giảm dẫn nhiệt độ của giếng dầu Bên cạnh đó, dòng dấu trong quá trình chuyên dịch lên miệng giếng

côn bị làm lạnh thêm do quá trình trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh các

10

paraphin rắn trong đầu (Cao đến Cáo ) có nhiệt độ nóng chảy cao, khi nhiệt độ của

1%

đầu giảm xuống dưới nhiệt độ nóng chảy của chúng thì các paraphin này bắt đầu Đà

kết tính và tách ra khỏi dòng chất lông Trong thời gian đầu, khi nhiệt độ chưa

giám nhiều, quá trình tách paraphin xây ra không mạnh, nhưng khi nhiệt độ hạ

xuống dưới điểm sương, quá trình lắng đọng paraphin xây ra mãnh liệt ảnh hướng

lớn đến khả năng lưu chuyển của dòng đầu Lúc này dầu chuyển từ chất lông

Newton sang chất lỗng phi Newton với sự hình thành cấu trúc tình thể ngày càng ữ

'

lớn của các paraphin rắn, cả độ nhớt động học và các ứng suất trượt của đầu đều tăng [4]1,U71.191

Đối với chất lắng đọng tạo thành, khi nhiệt độ của lớp cặn càng giám do

trao đổi nhiệt với môi trường bền ngoài, thì t„ đực bám của paraphin vào thành

ống) càng tăng dẫn đến việc tẩy rửa khó khăn Lúc này ảnh hưởng của nhiệt độ

chủ yếu là làm tăng độ bền của lớp lắng đọng paraphin chứ không làm tăng thể paraphin rắn trong đầu

Quá trình lắng đọng paraphin bị tác động không những bởi nhiệt độ và áp

suất mà còn bị ảnh hướng bởi thành phần của nhựa và asphalten trong đầu và

trong chính lớp lắng đọng Các chất này có tính bám dính cao nên để bám vào

>

thành ống dẫn và trở thành những mâm để các tính thể paraphin bám vào theo cơ chế khuếch tán phân tử hay phân tần trượt, làm tăng quá trình lắng đọng Hàm lượng nhựa và asphalten trong đầu càng cao càng làm cho quá trình lắng đọng dé

$

chất lắng đọng càng tăn qe

xảy ra và độ bám dính của

11

Nếu dầu chưa được tách khí (dầu chưa ổn định), khi vận chuyển, khí trong dầu tách ra, dòng chảy trong đường ống có lẫn khí tự do, làm tăng độ rối của

đòng chảy, do đó làm tăng khả năng lắng đọng

Các chất lạ trong dầu như: cặn, muối, cũng là những hạt nhân để paraphin kết tỉnh xung quanh gây nên quá trình lắng đọng

Oo», >»

Bề mặt gồ ghể của thành ống dẫn, mức độ lớn của dòng chảy rối và độ nhớt

u cũng là điều kiện thuận lợi để quá trình lắng đọng xấy ra [9]

độ hạ xuống chúng dễ dàng kết tinh, tách ra khổi dòng dẫu [1 1]

Tuy thuộc vào điều kiện kết tỉnh (nhiệt độ, áp suất, thành phần, ) mà các tinh thể paraphin rắn có cấu trúc hình kim, tấm, khối khác nhau

Bảng 1.2 : Một số hydrocacbon paraphin trong chất lắng đọng

1.3.3.2 Nhựa và asphalten:

Là hợp chất gồm các nhân thơm đa vòng nối với nhau bởi các nhánh gồm

nhiều nguyên tử C, O, S, các hợp chất này có tính kiểm hoặc trung tính [7] Hàm lượng nhựa trong dầu thô cao sẽ làm tăng độ nhớt và khả năng bám

dính của dầu vì hầu hết nhựa là các hợp chất có độ phân cực cao Do dé dé bam

vào thành ống làm giảm thiết diện hiệu dụng của đường ống dẫn

Asphanten gồm các vòng thơm ngưng tụ chứa các nhóm dị nguyên tế O, S, N, và hầu hết các chất vô cơ có trong dầu [25] Tổn tại trong dầu dưới dạng các micell keo có cấu tạo hình cầu, nhóm phân cực hướng vào tâm micell còn các mạch hydrocacbon không phân cực hướng ra ngoài

Asphanten là những hợp chất phân cực mạnh, tính phân cực của chúng còn lớn hơn nhựa Hầu hết chúng có tính acid, có tính phân tán và tái phân tán đa dạng Chúng được solvat hoá bởi các hydrocacbon và naften có trong dầu thô

Hình 1.3 : Cấu trúc hợp chất nhựa Hình 1.4 : Cấu trúc của asphalten

thành ống không có lớp lắng đọng hoặc có thì lắng đọng rất ít không đáng kể

e Trong chuyển động phân tầng của dầu theo đường ống, lớp lắng đọng

paraphin nhão được hình thành và thường được dòng chảy cuốn trôi đi nếu vận

tốc của đòng dầu đủ lớn

Lớp paraphin nhão có thể lắng đọng trong đường ống chứa dầu nếu vận tốc

dòng chảy không đủ để cuốn trôi nó đi

Vận tốc cực tiểu của dòng chảy cần thiết để làm trôi những hạt paraphin

được tính theo công thức Shisenko

14

Như vậy ta thấy rằng, lớp lắng đọng paraphin sẽ không hình thành và nếu có thì cũng chỉ ở dạng bột nhão không bền, dễ tẩy rửa khi dầu ngưng chuyển động hoặc chuyển động phân tầng theo đường ống

Trong chuyển động rối, ở trung tâm dòng chảy có những vận tốc hướng ngang, mà với tốc độ rối của dòng chảy tương đối mạnh những hạt paraphin bị bắn vào thành ống Hạt paraphin có thể bám chắc vào thành ống trong điều kiện nếu nó nhận được một năng lượng đủ lớn để xuyên qua lớp phân tầng biên có độ

dày ồ Phân bố vận tốc của đòng chảy rối được biểu diễn trong hình 1.6

Độ dày lớp phân tâng biên có thể được tính theo công thức :

Hình 1.5 : Mô hình dòng chảy rối của dầu trong đường ống

Trong chuyển động của dầu đã tách khí, độ rối của dòng chảy tương đối nhỏ

làm cho sự xâm nhập của các hạt paraphin từ trung tâm dòng chảy qua lớp phân

tầng biên trở nên khó khăn, đồng thời ứng suất do dòng chảy tạo ra trên thành

Ống tăng nhanh nên lớp lắng đọng trên thành ống bị rửa trôi Khi vận tốc của

Quá trình lắng dong paraphin trong dầu xây ra dưới tác dụng của nhiệt độ,

áp suất, theo nhiều cơ chế khác nhau nhưng chủ yếu là hai cơ chế chính, cơ chế khuếch tán phân tử và cơ chế phân tán trượt [12]

1.3.4.1 Ca chế khuếch tán phan ta:

điểm nhiệt độ của dấu giảm xuống bằng với nhiệt độ kết tính của các tỉnh thể

paraphin trong dầu) Đầu tiên, paraphin có nhiệt độ nóng chảy cao sẽ tách ra

Các tỉnh thé paraphin bám trên bể mặt gỗ ghế của thành ống dẫn trở thành

những mầm tỉnh thể, tạo điểu kiện cho sự kết tỉnh paraphin tiếp sau đó

Tốc độ khuếch tán paraphin được tính theo công thức sau:

16

nF e* D * dC/dr = p* D * (dC/dT) * (dT/dr)

Với rị : khối lượng paraphin hoà tan đến thành ối

Ð : Khối lượng riêng của paraphin

đC/dr : Gradient nổng độ của paraphin hoà tan đến thành ống theo thời

gian

đC/đT : Gradient nồng độ của paraphin theo nhiệt độ

a

dT/dr : Gradient nhiệt độ xuyên tầm gần thành ống theo khoảng cách

Hệ số khuếch tán của dẫu thô tỉ lệ nghịch với độ nhớt động học

dau ở thành ống nguội nhanh hơn các lớp bên trong và paraphin trong lớp đầu

= my y trở nên bão hoà với paraphin hoà tan và gradient nông độ theo thời gian bắt

>

dau = ăng lên Khi tiếp tục lầm lạnh, gradient nồng độ theo nhiệt độ đạt giá trị Pe » 3

cuối cùng và được gọi là hệ số nhiệt hoà tan, lúc này hệ số khuếch tấn và ®

gradient nhiệt độ xuyên tâm giảm Kết quả cho thấy tốc độ lắng đọng paraphin là

cực đại ở ngay dưới điểm sương, sau đó giảm dần Tất cả các chất lắng đọng được vận chuyển đến thành ống do sự khuếch tán phân tử khi nhiệt độ đầu trong &

ống giảm gần đến nhiệt độ môi trường ngoài, và cuối củng tạo thành một lớp bất ữ

⁄

động làm giấm thiết diện hiệu dụng của đường ống

1.3.4.2 Cơ chế phân tán trượt:

et ~]

cơ chế phân tán trượt, làm cho các hạt paraphin nhỏ này bám lên thành ống dẫn, nơi mà những tỉnh thể paraphin đã lắng đọng trước đó theo cơ chế khuyếch tán phân tử, Tuy nhiên phân tán trượt vận chuyển các hạt paraphin rắn không có khuynh hướng tạo mầm tỉnh thể và lớp lắng đọng tạo thành không bén, dé bi

cuốn trôi [12]

Các thông số ảnh hưởng đến quá trình lắng đọng theo cơ chế này bao gồm:

bể mặt thành ống, tốc độ dòng chảy, lượng paraphin trong đầu, hình dạng, kích

thước các hại,

Thực ra quá trình lắng đọng paraphin xảy ra theo cơ chế tổng hợp của hai cơ chế khuếch tần phân tử và khuếch tán trượt Ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của paraphin thì cơ chế khuếch tán phân tử chiếm ưu thế Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của paraphin thì cơ chế khuếch tán trượt vượt trội

1.3.5.2 Phương pháp cơ học:

Sử dụng các vật thể có hình dạng đặc biệt và phù hợp, phóng trong hệ thống ống dẫn ở các thời điểm thích hợp nhằm làm thông ống dẫn, khắc phục và ngăn chặn sự lắng đọng paraphin, nhựa, asphalten, [25].