Bài giảng công nghệ khí (ths hoàng trọng quang) chương 1

Trang 1

CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN

Trang 2

Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí

NỘI DUNG

GIỚI THIỆU

NGUỒN GỐC KHÍ THIÊN NHIÊN

THÀNH PHẦN CỦA KHÍ THIÊN NHIÊN

PHÂN LOẠI KHÍ THIÊN NHIÊN

MỤC ĐÍCH XỬ LÝ

SẢN PHẨM CỦA KHÍ THIÊN NHIÊN

QUI CÁCH SẢN PHẨM KHÍ THIÊN NHIÊN

Trang 3

Nguồn nhiên liệu & nguyên liệu lý tưởng cho:

Sinh hoạt: nấu ăn, sưởi ấm, đun nước Công nghiệp: nhiên liệu và nguyên liệu cho các nhà máy, quá trình xử lý và chế biến thực thẩm, sấy khô,

Nguồn năng lượng: các nhà máy điện, tuabin

Nhiên liệu cho các phương tiện vân chuyển: xe tải, xe bus.

So với nhiên liệu hoá thạch khác thì khí thiên thiên nhiên ít gây ô nhiễm hơn (Bảng 1).

Trang 4

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHIỆP KHÍ THIÊN NHIÊN

11/14/2013 Hình 1: Sơ bộ về công nghiệp dầu khí (Adapted from Canon, 1993) 4

Trang 5

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHIỆP KHÍ THIÊN NHIÊN

Hình 2: Ngành công nghiệp khí thiên nhiên

Trang 6

CÁC DẠNG SỬ DỤNG

Hình 3

Trang 7

MỨC ĐỘ GÂY Ô NHIỄM

Bảng 1

Trang 8

CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG SƠ CẤP

HÌNH 4:

Trang 9

TRỮ LƯỢNG KHÍ CỦA CÁC NƯỚC HÀNG ĐẦU

HÌNH 5:

Trang 10

SẢN LƯỢNG KHAI THÁC KHÍ VÀ TRỮ LƯỢNG THEO KHU VỰC

Bảng 2:

Trang 11

MỨC TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG TOÀN CẦU ĐẾN NĂM 2020

HÌNH 6:

Trang 12

NGUỒN GỐC KHÍ THIÊN NHIÊN

Khí thiên nhiên được hình thành từ sự phân hủy xác của động vật và thực vật và được giữ lại trong lỗ rỗng ở những tầng chứa sâu hoặc từ các mỏ khí than sâu hơn 3000ft (coal-bed methane)

Khí thiên nhiên thường phân làm 03 loại:

Khí đồng hành (associated gas) hoà tan trong dầu và khai thác cùng với dầu thô, được tách tại đầu giếng.

Khí không đồng hành (nonassociated gas) khai thác trực tiếp từ các vỉa khí.

Khí condensat: có hàm lượng HC lỏng cao khi áp suất và nhiệt độ giảm.

Phân loại giếng: giếng khí là giếng có tỷ số khí dầu (GOR) > 100.000 SCF/STB; Giếng condensate: 5000 ≤ GOR ≤ 100000 SCF/STB; Giếng dầu: GOR < 5000 SCF/STB

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 12

Trang 13

THÀNH PHẦN CỦA KHÍ THIÊN NHIÊN

Khí thiên nhiên là một sự pha trộn phức tạp của những thành phần HC và non-HC và tồn tại ở dạng khí trong điều kiện khí quyển.

Thực tế có hàng trăm thành phần khác nhau, có tỉ lệ thay đổi hiện diện trong khí thiên nhiên, ngay cả hai giếng khai thác trong 1 vỉa có thể có thành phần khác nhau (điều kiện thành tạo, địa tầng…).

Tuy nhiên, phần lớn khí thiên nhiên có thành phần chính là HC paraffin với một lượng nhỏ olefin HC, naphthenic HC và những thành phần non-HC.

Những thành phần non-HC cần phải xử lý trước khi vận chuyển

và sử dụng (Nước, CO2, H2S, N2, O2, Sulfur, Thuỷ ngân, phóng

xạ tự nhiên, )

Trang 14

Thành phần Hydrocacbon

Methane (CH4 hoặc C1): thành phần chính trong hỗn hợp

Ethane (C2H6 hoặc C2): thành phần nhiều thứ 02 trong hỗn hợp, nhiệt đốt nóng cao hơn methane (1769 BTU’s/SCF –so với 1010 BTU’s/SCF hoặc 66.0 MJ/m3 so với 37.7 MJ/m3).

Propane (C3H8 hoặc C3): thành phần quan trọng của khí đường ống (tỷ lệ càng cao trong khí thì hiệu quả kinh tế càng lớn).

Isobutane (iC1.~H10 hoặc iC4): chiết xuất thành pha lỏng và thường sử dụng để sản xuất nhiên liệu có hàm lượng octane cao (alkylate).

nButane (nC4H10 hoặc nC4): chiết xuất thành pha lỏng và thường sử dụng như là tác nhân pha trộn trong nhiên liệu động cơ môto

Pentanes và thành phần nặng hơn (C5H12 hoặc C5+): tỷ lệ rất nhỏ, thành phần chính trong condensat.

Trang 15

Thành phần Non Hydrocacbon

Nitrogen (N2): khí trơ, biểu hiện hàm lượng helium cao trong khí

Hydrogen Sulphide (H2S): nguyên nhân gây chua trong khí, độc, nguy hiểm, cần xử lý để giảm xuống 0.25 grain (0.4 ppm) hoặc 1 grain (16 ppm) trên 100ft3 khí đường ống (6 mg/in3 or 23 mg/m3)

Carbon Dioxide (CO2): là một loại khí axít như H2S, không có giá trị đốt cháy, tỷ lệ cho phép trong vận chuyển là dưới 2%.

Carbonyl Sulphide (COS): thường xuất hiện cùng với H2S và được xử

lý như H2S.

Hàm lượng nước: nước tự do trong khí là nguyên nhân hình thành hydrat 14lbs H2O/MMSCF = dewpoint +18°F (-9°C) Ở điều kiện đường ống được chôn thì dewpoint +25°F( -14°C).

Trang 16

TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN

Ta biết rằng các hydrocacbon nặng hơn có trong những khí này có thểthu hồi dưới dạng chất lỏng Lượng chất lỏng có khả năng thu hồi đượctính tính theo đơn vị gallon chất lỏng ở điều kiện 600F/1000 scf khí ởđiều kiện chuẩn, gọi là GPM Một khí nào đó được xác định là khí giàuhay khí nghèo thì dựa vào bảng phân loại dưới đây:

Sự phân loại trên đây chủ yếu dựa trên hàm lượng etan và cáchydrocacbon nặng hơn

Nếu etan không thể thu hồi dưới dạng chất lỏng, giá trị GPM có thểđược dựa theo propan và các hydrocacbon nặng hơn (C3+)

Trang 17

Thành phần chính của dầu thô và khí thiên nhiên là các hydrocacbon.Các hợp chất này được sắp sếp bắt đầu từ khí metan (CH4), hợp chất cókhối lượng phân tử nhẹ nhất, tới các hợp chất hydrocacbon no có sốnguyên tử cacbon lên tới 33 và các chuỗi hydrocacbon thơm có sốlượng phân tử cacbon lớn trên 20

Phân loại một số sản phẩm dầu khí theo thành phần Hydrocacbon

Trang 18

Sản phẩm dầu mỏ phân chia theo tỷ số khí dầu, oAPI, đặc tính sắc phổ

Tỷ số khí dầu điển hình ban đầu

Chất lỏng trong bình chứa

Dầu thô co ít (GOR

thấp), dầu nặng, dầu

thường

> 0,5 < 2000 < 45 Rất tối, thường đen

Dầu thô co nhiều

(GOR cao), dầu bay

Khí ướt (Wet gas) - > 50000 > 50 Nước, trắng

-11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 18

Bảng 4

Trang 19

Trong khí thiên nhiên tồn tại nhiều thành phần khác nhau, cùng tồn tại Ngoài Metan là chủ yếu ra, còn tồn tại một số Hydrocarbon nặng hơn, khí không phải là Hydrocarbon.

Khí thiên nhiên ở điều kiện mỏ khác nhau thì thành phần của nó cũng có thể khác nhau.

Vì vậy, muốn xác định chính xác thành phần trong khí thiên nhiên thì phải tiến hành phân tích cụ thể, không thể có các thành phần xác định cho toàn bộ khí thiên nhiên ở các mỏ khác nhau.

Việc xác định thành phần có trong khí thiên nhiên rất quan trọng,

nó quyết định đến việc thiết kế các quy trình xử lý, người ta thấy rằng chỉ cần tồn tại một lượng nhỏ hợp chất lưu huỳnh cũng đã ảnh hưởng nhiều đến quy trình công nghệ xử lý khí thiên nhiên.

Trang 20

Heli Rất ít hoặc không có, đôi khi là 5%

Bảng 5

Trang 21

Trang 22

Tổng hợp nhiều nghiên cứu phân tích thành phần khí thiên nhiên ở nhiều

mỏ khác nhau, người ta đã xác định được thành phần có thể có trong khíthiên nhiên:

Hydrocarbon:

Methane (CH4 – C1), Ethane (C2H6 – C2), Propane (C3H8 – C3)i-Butane (iC4H10 – iC4), n-Butane (nC4H10 – nC4), i-Pentane (iC5H10 –iC5), n-Pentane (nC5H10-nC5), Cyclopentane (C5H10), Hexanes(C6+)

Khí trơ: Nitrogen (N2), Helium (He), Argon (A), Hydrogen (H2), Oxygen(O2)…

Khí acid: Hydrogen Sulfide (H2S), Carbon Dioxide (CO2)

Hợp chất sulfur: Mercaptans (R-SH), Sulfile (R-S-R’), Disulfide (R-S-S-R’)

Hơi nước: H2O

Mẻ chất lỏng: Nước tự do và nước vỉa, chất ức chế ăn mòn Methanol(CH3OH)

Chất rắn: Ghỉ Sulfide, quặng vỉa (FeS)

Trang 23

THÀNH PHẦN KHÍ THIÊN NHIÊN

Bảng 7:

Trang 24

THÀNH PHẦN KHÍ THIÊN NHIÊN TẠI MỘT SỐ MỎ

Bảng 8:

Trang 25

THÀNH PHẦN KHÍ THIÊN NHIÊN TẠI MỘT SỐ MỎ

Bảng 9:

Trang 26

PHÂN LOẠI KHÍ THIÊN NHIÊN

Các khí hydrocarbon chủ yếu là metan C1 (90 – 95%), các đồng đẳng của metan (C2, C3, C4) và một phần nhỏ các khí khác.

H2S khí ngưng tụ và bất kỳ loại HC nào)

Trang 27

Phân loại chất lưu trong vỉa

Phân Loại:

1.Khí khô 2.Khí ướt 3.Khí condensate 4.Dầu nhẹ

 Nhiệt độ và áp suất của những chất tách ở giai đoạn đầu tiên trong đó cần chú ý đến biểu đồ pha của chất lưu vỉa

Trang 28

Trang 29

Biểu đồ pha của khí khơ

Khí khơ

yếu là C1, thêm vào đó là những thành phần vô cơ như N2và CO2.

Khí khô tồn tại 1 pha duy nhất từ điều kiện vỉa lên đến điều kiện bề mặt

HÌNH 7:

Trang 30

Tỉ trọng của khí ướt lớn hơn khí khô Thành phần chính là hydrocacbon nhẹ (C1, C2, C3 và C4) Đặc trưng tỷ lệ khí dầu hơn 50000 SCF/STB và duy trì không đổi trong suốt thời gian khai thác

Trang 31

Biểu đồ pha của vỉa khí ướt

Chủ yếu hỗn hợp bao

C3, C4 )

biến thành condensate

ở điều kiện vỉa, mà chỉ thành condensate

ở tại điều kiện bề mặt

HÌNH 8:

Trang 32

KHÍ NGƯNG TỤ

Khí ngưng tụ (Gas Condensate)

Hiện diện của thành phần nặng (C4 - C7+), nhiệt độ vỉa nằm khoảng giữa điểm tới hạn và nhiệt độ ngưng tụ tới hạn.

Pha lỏng chiếm nhiều hơn khí ướt

Tỉ trọng cũng lớn hơn khí ướt

Có xảy ra hiện tượng ngưng tụ ngược khi giảm áp suất Chất lỏng tách trong vỉa làm giảm khả năng thu hồi condensate của giếng, vì vậy cần thúc đẩy quá trình ngưng

Trang 33

Sự ngưng tụ xảy ra ở điều kiện bề mặt.

Chất lỏng trong vỉa giảm thường giảm sự thu hồi condensate, do đó dẫn tới khả năng linh động của hỗn hợp giảm.

HÌNH 9:

Trang 34

Biểu đồ pha của dầu nhẹ

Dầu nhẹ

Có thành phần tạo

condensate.

Thể tích của dầu nhẹ sẽ bị co lại phần lớn với điều kiện áp suất do sự bay hơi của khí khi áp suất nhỏ hơn áp suất điểm sôi.

Tỷ số khí dầu (GOR) thì nằm trong khoảng

SCF/Stb.

HÌNH 10:

Trang 35

SCF/Bbl

Khí cân bằng là khí khô và số lượng chất lỏng khai thác được từ vỉa khí thì thường bị bỏ qua.

HÌNH 11:

Trang 36

SO SÁNH GIÃN ĐỒ PHA CÁC LOẠI CHẤT LƯU VỈA

P1 = Initial Reservoir Pressure

Trang 37

PHÂN LOẠI KHÍ THIÊN NHIÊN

Khí chua (Sour Gas): khí chứa hơn 1 grain (16 ppm) H2S/100 SCF

Khí ngọt (Sweet Gas): khí chứa nhỏ hơn 1 grain (16 ppm)

H2S/100 SCF

Khí nghèo (Lean Gas): khí chứa tương đối ít condensate hoặc

HC lỏng khi qua một đơn vị hấp thụ.

Khí giàu (Rich Gas): khí chứa một lượng đáng kể condensate, khoảng 0.7 gallons C3+ trong 100ft3 khi đi qua một đơn vị hấp thụ.

Trang 38

HỆ THỐNG THU GOM, XỬ LÝ, CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

HÌNH 13

Trang 39

Hoá lỏng : tăng thêm mật độ năng lượng cho lưu trữ và vận chuyển

Trang 40

NHỮNG SẢN PHẨM CHÍNH CỦA KHÍ THIÊN NHIÊN

Methane: sử dụng chính làm nhiên liệu, ngoài ra là nguyên liệu trong sản xuất hoá công nghiệp như ammonia, methanol.

Ethane: nhiên liệu, điều chế ethylene, polyrthylene Propane: chủ yếu sử dụng cho hoá dầu

Butane: nguyên liệu để sản xuất trong hoá công nghiệp, xăng-dầu (gasoline), propylene oxide

Natural Gas Liquids (NGL): khí hoá lỏng Gasoline

Sulfur: lưu hoá cao su, điều chế axit, sản xuất thuốc súng

Trang 41

QUY CÁCH SẢN PHẨM CỦA KHÍ THIÊN NHIÊN

Sản phẩm lỏng

BẢNG 8

Trang 42

Sản phẩm lỏng của khí thiên nhiên

Các sản phẩm khí thiên nhiên thu hồi ở dạng lỏng và ứng dụng của nó

Nguyên liệu hoá dầu

Khí hoá lỏng (LPG, hỗn hợp C3/C4) Công nghiệp, năng lượng trong nước,

Nguyên liệu hoá dầu

n-Butane Chất phụ gia dầu cho vận hành áp thấp, nguyên

liệu hoá dầu

i-Butane Nguyên liệu tinh chế cho quá trình alkyl hoá

Dầu lửa tự nhiên (C5 và nặng hơn) Nguyên liệu tinh chế cho quá trình biến đổi

BẢNG 9

Trang 43

Trang 44

KHÍ THIÊN NHIÊN VÀ CÁC SẢN PHẨM SAU XỬ LÝ

HÌNH 14

Trang 45

Lấy mẫu có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định thành phần của khí

Mẫu có ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác của kết quả nghiên cứu Vìthế, việc lấy mẫu khí thiên nhiên cần phải tiến hành cẩn thận, theo đúngtrình tự yêu cầu Tuy nhiên thực tế việc lấy mẫu khí thiên nhiên lại ít khiđược thực hiện tốt

Khí thiên nhiên, dòng chảy thường có đi kèm theo thành phần condensat,không thể lấy được mẫu hoàn toàn ở trạng thái nguyên Mức độ phảnánh đối với trạng thái thiên nhiên phức tạp của dòng chảy hai pha – với

sự thay đổi các mô hình dòng chảy mẫu và hiện tượng chất lỏng khôngtrượt (liquid holdup) thay đổi theo gradient vận tốc trong lưu chất – khôngthể cho độ tin cậy tuyệt đối

Trang 46

Trong các trường hợp thực tế, một bình tách được lắp đặt tại đầu giếng

để tách lấy khí condensat và xác định lưu lượng mỗi pha Các phân tíchtiếp theo sau khi khí ra khỏi bình tách khí và chất lỏng cho phép tái kếthợp để đạt được kết quả phân tích dòng chảy giếng Điều này là lý docác bình đo thậm chí được lắp đặt ngoài khơi nơi có không gian và khốilượng chụi được là rất hạn chế và tiêu tốn nhiều tiền vốn đầu tư

Việc lấy mẫu đem lại kết quả nghèo nàn nói chung do một số nguyênnhân gây ra:

Do không biết tầm quan trọng của các yếu tố kinh tế và kỹ thuật.

Người thực hiện lấy mẫu chưa được huấn luyện đủ các kỹ năng cần thiết liên quan.

Do không biết hoặc bỏ qua không tuân theo các quy trình chỉ dẫn tiêu chuẩn.

Trang 47

Yêu cầu trong khi tiến hành lấy mẫu mỏ:

Không được sử dụng ống lấy mẫu bẩn đã chứa các mẫu trước đó.

Không được tiến hành lấy mẫu khi điều kiện áp suất và nhiệt độ chưa đạt được mức ổn định.

Không được lấy mẫu khi áp suất bình tách có sự khác biệt với áp suất trong ống mẫu.

Không được để mẫu bị xâm nhập khí.

Phải đánh dấu mẫu lấy được rõ ràng, cụ thể.

Việc lấy mẫu lưu chất hydrocacbon có thể nguy hiểm Mọi người khi liên quan đến công tác lấy mẫu đều cần phải được huấn luyện và làm quen với các nguyên tắc, quy tắc về an toàn Không bao giờ đổ đầy hoàn toàn chất lỏng vào ống lấy mẫu.

Trang 48

Hefley và các cộng sự (1985) đã đưa ra bản báo cáo về việc lấy mẫu khíthiên nhiên Chương trình lấy mẫu này như là nền tảng cơ bản để bổsung và sửa chữa tiêu chuẩn GPA 2166 cũng như để kiểm tra cả 8phương pháp lấy mẫu GPA 2166 một cách rất chi tiết

Tiêu chuẩn GPA 2166-86 chỉ ra rằng các mẫu tốt có thể đạt được cảbằng cả 8 phương pháp Tuy nhiên bản báo cáo này cũng xếp loại độchính xác của 8 phương pháp theo thứ tự giảm dần như sau:

Sự thay thế nước(water displacement) Làm sạch liên tục (Continuous Purge) Purge and fill

Định dạng
Số trang	55
Dung lượng	20,62 MB