Thiết kế quy trình xử lý mỏ khí condensate sư tử trắng và tính toán thiết bị chính

Interstage Cooler Thiết bị làm mát trung gian Interstage Scrubber Thiết bị tách trung gian Fuel Gas System Hệ thống cung cấp khí nhiên liệu Diesel System Hệ thống cung cấp dầu diezel Ba

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU

KHOA HÓA HỌC &CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI

ĐỒ ÁN/ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

(Đính kèm Quy định về việc tổ chức, quản lý các hình thức tốt nghiệp ĐH, CĐ ban hành kèm theo Quyết định số 585/QĐ-ĐHBRVT ngày 16/7/2013 của Hiệu

trưởng Trường Đại học BR-VT)

Họ và tên sinh viên: PHẠM NHẬT MINH Ngày sinh: 18/05/1994

MSSV : 12030226 Lớp: DH12HD

Địa chỉ : 951 – Bình Giã – Thành phố Vũng Tàu

E-mail : phamnhatminhoilg@gmail.com

Trình độ đào tạo: Đại học

Hệ đào tạo : Chính quy

Ngành : Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học

Chuyên ngành: Hóa Dầu

1 Tên đề tài: THIẾT KẾ QUY TRÌNH XỬ LÝ MỎ KHÍ – CONDENSATE

SƯ TỬ TRẮNG VÀ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

2 Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Văn Thông

ThS Nguyễn Văn Toàn

3 Ngày giao đề tài: 9/3/2016

4 Ngày hoàn thành đồ án/ khoá luận tốt nghiệp: 13/06/2016

Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày 13 tháng 06 năm 2016

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

TRƯỞNG BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đồ án tốt nghiệp của riêng tôi với sự hướng dẫn của PGS TS Nguyễn Văn Thông và ThS Nguyễn Văn Toàn Nội dung trình bày trong

đồ án này là hoàn toàn trung thực, chưa từng công bố ở bất cứ hình thức nào Các

số liệu, bảng biểu, nội dung được trình bày trong đồ án này có trích dẫn nguồn tài liệu tham khảo

Nếu phát hiện bất cứ nội dung gian lận nào trong đồ án, tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể giảng viên khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Trường Đại học Bà Rịa Vũng Tàu đã hỗ trợ và tạo điều kiện

để tôi có thể hoàn thành đồ án này

Xin chân thành cảm ơn PGS TS Nguyễn Văn Thông, ThS Nguyễn Văn Toàn

đã hướng dẫn, đóng góp ý kiến để hoàn thành đồ án này

Cảm ơn Công Ty Tham Dò và Khai Thác Dầu Khí Cửu Long JOC đã tạo điều kiện cho tôi có cơ hội được làm đồ án tại Công ty

Tôi cũng bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến ThS Phạm Nguyễn Khánh Duy

đã tận tình giúp đỡ và chỉ dẫn trong suốt thời gian làm đồ án

Cảm ơn Chú Phạm Văn Hoanh – người đã tạo môi trường, điều kiện tốt nhất

để tôi thực hiện Đồ án này

Cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn động viên và đóng góp những ý kiến để giúp tôi hoàn thành đồ án này

Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2016 Sinh viên thực hiện

Phạm Nhật Minh

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, TÊN TIẾNG ANH iii

DANH MỤC BẢNG xi

DANH MỤC HÌNH xiii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 2

TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 2

1.1 Sơ lược mỏ Sư Tử Trắng 2

1.1.1 Giới thiệu chung về mỏ Sư Tử Trắng 2

1.1.2 Đặc điểm thành phần dòng khí – condensate mỏ Sư Tử Trắng 3

1.2 Giới thiệu về dự án phát triển toàn mỏ Sư Tử Trắng giai đoạn 1 7

1.3 Tìm hiểu các cụm quy trình xử lý chính trong Dự án 8

1.3.1 Cụm đầu giếng và thiết bị thu gom 8

1.3.2 Thiết bị đo sản lượng giếng 9

1.3.3 Cụm thiết bị phân tách dầu – khí 10

1.3.4 Cụm thiết bị nén 10

1.3.5 Cụm bơm ép 11

1.3.6 Hệ thống cung cấp nhiên liệu 11

1.3.7 Hệ thống nước làm mát 12

1.3.8 Hệ thống đốt, xả 13

1.3.9 Hệ thống thu gom lỏng 13

1.3.10 Khu nhà ở 14

1.4 Cơ sở lý thuyết các thiết bị sử dụng trong dầu khí 14

1.4.1 Bình tách 14

1.4.2 Van 31

1.4.3 Đường ống 42

1.4.4 Máy nén 55

1.5 Giới thiệu về mô phỏng trong dầu khí 77

1.5.1 Khái niệm về mô phỏng và ứng dụng 77

1.5.2 Các phần mềm mô phỏng hiện nay 78

1.5.3 Giới thiệu phần mềm mô phỏng Hysys 78

1.5.4 Giới thiệu phần mềm mô phỏng Pipesim 79

Chương 2 80

THIẾT KẾ QUY TRÌNH XỬ LÝ MỎ KHÍ – CONDENSATE SƯ TỬ TRẮNG 80

2.1 Mục đích thiết kế 80

2.2 Thiết kế quy trình 80

Chương 3 84

TÍNH TOÁN QUY TRÌNH 84

3.1 Tính toán cân bằng thủy lực 84

3.2 Tính toán cân bằng vật chất, năng lượng 85

3.3 Tính toán thiết bị 86

3.3.1 Tính toán bình tách 86

3.3.2 Tính toán van 90

3.3.3 Tính toán máy nén 92

3.3.4 Tính toán đường ống 94

3.3.5 Tính toán giá trị áp suất và nhiệt độ thiết kế và lựa chọn chênh áp qua từng thiết bị trong quy trình xử lý 99

KẾT LUẬN 100

PHỤ LỤC 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, TÊN TIẾNG ANH Tên Viết

JOC Joint Operating Company Công ty Liên Doanh Điều Hành CPP Central Process Platform Giàn xử lý trung tâm

WHP-C Well Head Platform-Su Tu Trang Giàn đầu giếng Sư Tử Trắng

MMSCFD Million Standard Cubic Per Day Triệu feet khối tiêu chuẩn mỗi

ngày

Ps-C* Pseudo-Hydrocarbon Cấu tử giả

STBPD Standard Barrel Per Day Thùng dầu đo ở điều kiện tiêu

chuẩn ST-1P, 2P, 3P, 4P, 5P, 6P Tên giếng tại mỏ Sư Tử Trắng

ST-PIP Su Tu Trang Production and

Reinjection Platform Giàn sản xuất và nén khí ST-LQ Su Tu Trang Living Quarter Khu nhà ở

CGF Central Gas Facility Khu xử lý khí trung tâm

LTPTP Long Term Production Testing Phase Giai đoạn thử nghiệm và sản

xuất

MPFM Multiphase Flow Meter Thiết bị đo lưu lượng nhiều pha

Test Separator Thiết bị đo sản lượng đầu giếng Production Separator Thiết bị tách đầu giếng

Suction Scrubber Thiết bị tách đầu hút Suction Cooler Thiết bị làm mát đầu hút

Interstage Cooler Thiết bị làm mát trung gian Interstage Scrubber Thiết bị tách trung gian

Fuel Gas System Hệ thống cung cấp khí nhiên

liệu Diesel System Hệ thống cung cấp dầu diezel Back up Generator Hệ thống bổ sung

Fuel Gas Pre-Cooler Thiết bị tiền làm mát Fuel Gas Scrubber Thiết bị tách lỏng

Fuel Gas Superheater Thiết bị quá nhiệt Condensate Pump Thiết bị bơm condensate Gas Turbine Generator Máy phát điện

Cooling Water Expansion Vessel Bình giãn nở sau khi nước làm

mát đã trao đổi nhiệt Cooling Water System Chemical

Dosing Pump

Thiết bị bơm chất xử lý cho nước làm mát

Cooling Water Circulation Pumps Thiết bị bơm tuần hoàn

Sea Water/Cooling Water Exchanger Thiết bị trao đổi nhiệt với nước

biển

Amostpheric Ventilation Thiết bị thông khí ra môi trường

Closed Drain Vessel Bình thu gom lỏng Closed Drain System Hệ thống thu gom lỏng kín Level Alarm High Báo động mực chất lỏng ở mức

cao

HP Flare High Pressure Flare Hệ thống xả cao áp

Closed Drain Header Cụm thu hồi lỏng Open Drain System Hệ thống thu gom lỏng mở

Open Drain Tank Bình thu gom lỏng mở

Gravity Settling Lắng trọng lực Centrifugal Force Lực ly tâm

Terminal Velocity Vận tốc tới hạn

Primary Separation Section Bộ phận tách thứ cấp Inlet Diverter Thiết bị chuyển dòng chảy Secondary Separation Section Bộ phận tách sơ cấp Internal Bafflers Bộ chuyển hướng dòng chảy Liquid Separation Section Bộ phận chứa chất lỏng Vortex Breaker Bộ phận ngăn cản dòng xoáy Mist Eliminator Section Bộ phận khử (chiết) sương

Mesh Mist Eliminator Bộ phận khử (chiết) sương dạng

Process Control Điều khiển quá trình

Pressure Protective Devices Hệ thống bảo vệ áp suất

ASME American Society of Mechanical

High Pressure Separator Bình tách áp suất cao Intermediate Pressure Separator Bình tách áp suất trung bình Low Pressure Separator Bình tách áp suất thấp Horizontal Separator Bình tách nằm ngang Vertical Separator Bình tách trụ đứng Spherical Separator Bình tách hình cầu Allowable Horizontal Velocity Vận tốc cho phép pha hơi

HLL High Liquid Level Mực chất lỏng ở mức cao NLL Normal Liquid Level Mực chất lỏng ở mức ổn định LLL Low Liquid Level Mực chất lỏng ở mức thấp

Downstream Facilities Các thiết bị xử lý hạ lưu

DN Nominal Diameter Đường kính danh nghĩa

Check Valve Van kiểm tra Pressure Relief Valve Van an toàn

Throttling Valve Van tiết lưu

TT Temparature Transmitter Bộ phận chuyển tín hiệu nhiệt

độ

PT Pressure Transmitter Bộ phận chuyển tín hiệu áp suất

FT Flow Transmitter Bộ phận chuyển tín hiệu lưu

lượng

Valve Travel (Valve Lift) Hành trình Van Equal Percentage Đặc tính tuyến tính

XS Extra Strong Phân loại khoảng áp suất của

đường ống

XH Extra Heavy Phân loại khoảng áp suất của

đường ống

NPS Nominal Pipe Size Kích thước đường ống danh

nghĩa

ISO International Organization for

Standardization Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế

Outside Diameter Đường kính ngoài Kinematic Viscosity Độ nhớt động học Dynamic Viscosity Độ nhớt tuyệt đối

GPR Glassfiber Reinforced Polyester Polyester lõi thủy tinh

Equivalent Pipe Lengths Độ dài ống tương đương

API American Petroleum Institute Viện dầu mỏ Hoa Kì

GPSA Gas Processors Suppliers Association Tên sách

Positive-Displacement Compressor Máy nén thể tích Dynamic Compressor Máy nén động

Impeller Cánh quay Reciprocating Compressor Máy nén piston Centrifugal Compressor Máy nén ly tâm

Automatic start-stop control Điều khiển đóng-mở

Constant-speed control Điều khiển tốc độ tại một giá trị

không đổi Characteristic Curve Đường đặc tính

FIC Flow Indicator Controller Bộ phận hiển thị và điều khiển

lưu lượng Adiabatic (Isotropic) Quá trình đoạn nhiệt

Inter Cooler Thiết bị làm mát trung gian Overall Efficiency Hiệu suất toàn phần

Volumetric Efficiency Hiệu suất nạp

BCPD Barrel Condensate Per Day Thùng condensate mỗi ngày BWPD Barrel Water Per Day Thùng nước mỗi ngày

Watercut Phần trăm nước có trong hỗn

hợp lỏng

GLR Gas Liquid Ratio Tỉ số khí/lỏng

LGR Liquid Gas Ratio Tỉ số lỏng/khí

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các thông số dòng vào từ giếng ST-2P mỏ Sư Tử Trắng 3

Bảng 1.2 Thành phần cấu tử mẫu khí sau khi qua thiết bị đo sản lượng giếng (Test Separator) giếng ST-2P 3

Bảng 1.3 Thành phần các cấu tử mẫu condensate sau khi qua thiết bị kiểm tra đầu giếng 5

Bảng 1.4 Tên các loại bình tách 15

Bảng 1.5 Lựa chọn hệ số K thông qua kích thước đường ống 18

Bảng 1.6 Ưu và nhược điểm của bình tách đứng và bình tách nằm ngang 24

Bảng 1.7 Hệ số K phân loại theo áp suất vận hành của tháp 25

Bảng 1.8 Hệ số K phân loại theo thiết bị chiết sương 25

Bảng 1.9 Tỉ số L/D tham khảo dựa vào khoảng áp suất hoạt động 30

Bảng 1.10 Các bộ phận trong Van điều khiển 37

Bảng 1.11 Lựa chọn tính chất với đặc điểm của quy trình 39

Bảng 1.12 Các giá trị N trong tính toán thiết kế Van chất lỏng 40

Bảng 1.13 Các giá trị N trong tính toán thiết kế Van chất khí 41

Bảng 1.14 Phân loại đường ống theo khoảng áp suất danh nghĩa 45

Bảng 1.15 Giá trị độ nhám ứng với từng loại vật liệu 50

Bảng 1.16 Phân loại máy nén 57

Bảng 1.17 Hệ số chuyển đổi năng lượng ứng với mỗi đơn vị 72

Bảng 1.18 Hiệu suất của từng loại máy nén 72

Bảng 1.19 Đơn vị của năng suất nén ứng với hằng số khí 73

Bảng 1.20 So sánh giữa máy nén piston và ly tâm 76

Bảng 2.1 Thông số để thiết kế cho hệ thống 80

Bảng 2.2 Các thiết bị trong hệ thống xử lý 81

Bảng 3.1 Tính chất dòng sản phẩm tại điều khiện chuẩn 84

Bảng 3.2 Thông số vận hành tại giàn xử lý trung tâm STV 84

Bảng 3.3 Thông số đường ống Pipeline từ giàn PIP về giàn xử lý trung tâm STV 85

Bảng 3.4 Các thông số dòng vào bình tách cao áp 86

Bảng 3.5 Mối liên hệ giữa đường kính và chiều cao mực HLLL 88

Bảng 3.6 Bảng chuyển đổi giữa diện tích bề mặt và chiều cao mực chất lỏng trong hình trụ 89

Bảng 3.7 Các thông số tính toán cho Van cho chất lỏng 90

Bảng 3.8 Các thông số tính toán cho Van cho chất khí 91

Bảng 3.9 Các thông số tính toán cho máy nén 92

Bảng 3.10 Thông số được tính toán cho bậc nén thứ hai 94

Bảng 3.11 Các thông số để tính toán đường ống pha khí và pha lỏng 95

Bảng 3.12 Các thông số để tính toán đường ống hai pha 97

Bảng 3.13 Kết quả tính toán cho bình tách cao áp 101

Bảng 3.14 Kết quả tính toán cho máy nén 101

Bảng 3.15 Kết quả tính toán cho Van 101

Bảng 3.16 Kết quả tính toán cho đường ống 101

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Bản đồ vị trí Lô 15.1 2

Hình 1.2 Bình tách nằm ngang 22

Hình 1.3 Bình tách trụ đứng 23

Hình 1.4 Bình tách hình cầu 23

Hình 1.5 Các mức chất lỏng chính có trong bình tách 27

Hình 1.6 Các bộ phận chính của Van 32

Hình 1.7 Cấu tạo của Van cổng 33

Hình 1.8 Mô hình một vòng điều khiển cơ bản 34

Hình 1.9 Liên kết giữa 2 bộ phận chính của Van điều khiển 35

Hình 1.10 Các bộ phận chi tiết trong Van điều khiển 36

Hình 1.11 Các loại đặc tính của Van 38

Hình 1.12 Mối liên hệ giữa hệ số ma sát, chuẩn số Reynolds và độ nhám 49

Hình 1.13 Mối liên hệ giữa phần thể tích chất lỏng và hệ số tỷ số ma sát 55

Hình 1.14 Đặc trưng của các loại máy nén khác nhau 58

Hình 1.15 Cấu tạo một máy nén piston tác động đơn 2 cấp nén 60

Hình 1.16 Máy nén piston ba bậc nén tác động đơn 60

Hình 1.17 Máy nén piston 2 bậc tác động kép 61

Hình 1.18 Chu kì làm việc của máy nén pistông 61

Hình 1.19 Các bước nén trong máy nén pistong 63

Hình 1.20 Khoảng lưu lượng ứng với hiệu suất nén trong máy nén ly tâm 65

Hình 1.21 Áp suất và vận tốc khi đi qua máy nén ly tâm 65

Hình 1.22 Mô hình máy nén ly tâm gồm 2 thiết bị làm mát trung gian 66

Hình 1.23 Mắt của bộ cánh quay trong máy nén ly tâm 67

Hình 1.24 Tính chất điển hình đường cong của máy nén ly tâm 68

Hình 1.25 So sánh đường đặc tính các loại máy nén 68

Hình 1.26 Điều khiển hiện tượng Surge trong máy nén 69

Hình 1.27 Điều khiển hiện tượng Choke trong máy nén 69

Hình 1.28 Đường cong thể hiển các quá trình nén 71

Hình 1.29 Mối liên hệ giữa hiệu suất nén đa biến và đoạn nhiệt 75

Hình 3.1 Sự thay đổi áp suất và nhiệt độ ứng với khoảng cách trong đường ống 85 Hình 3.2 Mối liên hệ giữa phần thể tích chất lỏng và tỷ số hệ số ma sát 99

MỞ ĐẦU

Trong thời gian gần đây, với sự biến động đầy phức tạp của giá dầu thô trên thế giới do nguồn cung ngày càng nhiều đến từ các quốc gia sản xuất dầu mỏ lớn như Nga, Ả Rập Xê Út, Iran,…và đặc biệt là Mỹ – một quốc gia gần đây đã ứng dụng thành công công nghệ khai thác dầu khí đá phiến, đã gây không ít ảnh hưởng đến nguồn thu ngân sách của các quốc gia có nền kinh tế phụ thuộc vào dầu mỏ, trong đó có Việt Nam Nhưng không vì thế mà các dự án khai thác dầu khí đã được triển khai từ trước phải dừng tiến độ thực hiện Dự án phát triển mỏ Sư Tử Trắng Giai Đoạn 1 là một trong những dự án đang được tiến hành trong tình cảnh giá dầu thô đầy biến động này

Việc bắt đầu khai thác vào tháng 9/2012 với kế hoạch thử nghiệm mỏ trong giai đoạn dài, cũng như cung cấp các thông tin về vỉa để phát triển toàn mỏ trong thời gian tới, do hiện nay chưa đánh giá được chính xác trữ lượng dầu – khí của mỏ, trong khi đó vẫn đảm bảo lượng xuất khẩu dầu – khí về bờ là mục đích của dự án Trong quá trình thực tập và có điều kiện được tìm hiểu dự án này, đề tài tốt nghiệp “THIẾT KẾ QUY TRÌNH XỬ LÝ MỎ KHÍ – CONDENSATE SƯ TỬ TRẮNG VÀ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH” được thực hiện nhằm đạt được các mục đích sau đây:

1 Tìm hiểu về mỏ Sư Tử Trắng và Dự án phát triển toàn mỏ Giai đoạn 1

2 Tìm hiểu các cụm xử lý và thiết bị chính trong dự án

3 Sử dụng công cụ mô phỏng Hysys và phần mềm Pipesim để tính toán cân vật chất, cân bằng năng lượng trong quá trình thiết kế quy trình công nghệ

4 Xây dựng quy trình công nghệ chính cho dự án

5 Tính toán, thiết kế các thiết bị chính trong quy trình sản xuất

Chương 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Sơ lược mỏ Sư Tử Trắng

1.1.1 Giới thiệu chung về mỏ Sư Tử Trắng

Việc đưa mỏ Sư Tử Trắng đi vào khai thác giai đoạn 1 là công trình xây dựng dầu khí có quy mô lớn nhất của Cửu Long JOC kể từ sau công trình Sư Tử Vàng năm 2008 [1] Mỏ Sư Tử Trắng được phát hiện vào ngày 19/11/2003, phía Đông Nam thuộc Lô 15.1 thềm lục địa Việt Nam, ở độ sâu 56 m nước, cách đất liền khoảng 62 km, cách Vũng Tàu khoảng 135 km về phía Đông và cách hệ thống xử lý trung tâm Sư Tử Vàng CPP 18.748 km, là mỏ nằm xa nhất so với hệ thống xử lý trung tâm [2]

Hình 1.1 Bản đồ vị trí Lô 15.1 (Nguồn: Executice Summary, Cưu Long JOC)

Trữ lượng ước tính đến tháng 9/2023 của mỏ đạt khoảng 84 triệu thùng condensate và 3-4 tỷ m3 khí đốt Vị trí mỏ Sư Tử Trắng thuộc bể Cửu Long được thể hiện trong Hình 1.1

Ngày 16/9/2012 đón nhận dòng khí đầu tiên của mỏ Sư Tử Trắng [8] Hiện nay mỏ Sư Tử Trắng đang được khai thác 2 giếng tại giàn WHP-C (Wellhead Platform-C) với lưu lượng ước tính đạt 80 MMSCFD

1.1.2 Đặc điểm thành phần dòng khí – condensate mỏ Sư Tử Trắng

Được đánh giá là mỏ khí-condensate có trữ lượng rất lớn và chỉ mới đưa vào khai thác trong vòng ba năm trở lại đây, mỏ Sư Tử Trắng đang đóng góp một sản lượng rất lớn vào tổng sản lượng khai thác của Cửu Long JOC, góp phần đạt được các mục tiêu về gia tăng sản lượng của công ty Các đặc điểm về thông số và thành phần đang khai thác ngoài giàn của dòng khí-condensate của mỏ Sư Tử Trắng được thể hiện ở Bảng 1.1, Bảng 1.2 và Bảng 1.3

Bảng 1.1 Các thông số dòng vào từ giếng ST-2P mỏ Sư Tử Trắng

neo-Pentane 0.0050 0.0171 27.84 iso-Pentane 0.4884 1.6646 27.84

(Nguồn: Gas Sample, Cuu Long JOC, Su Tu Trang Composition, [4].)

Các thông số về nhiệt độ, áp suất, thành phần và lưu lượng trình bày ở trên được đo tại thiết bị đo sản lượng giếng (Test Separator) của một trong hai giếng hiện đang khai thác tại mỏ Sư Tử Trắng Hầu hết tại các đầu giếng khai thác đều có một thiết bị đo sản lượng, có thể là một bình tách (Test Separator) hoặc thiết bị đo lưu lượng đa pha (Multiphase Flow Meter) Sau khi dòng khai thác được đo đạc thì hỗn hợp hai pha khí-lỏng sẽ được trộn và vận chuyển về hệ thống xử lý trung tâm

Sư Tử Vàng CPP bằng đường ống ngầm dưới biển dài 18 km để tiếp tục xử lý các quá trình tiếp theo

Bảng 1.3 Thành phần các cấu tử mẫu condensate sau khi qua thiết bị kiểm tra đầu

giếng

STT

Cấu tử

% Khối lượng

% Mol

Phân

tử khối

Nhiệt

độ sôi ( o C)

Khối lượng riêng (kg/m 3 )

STT

Cấu tử

% Khối lượng

% Mol

Phân

tử khối

Nhiệt

độ sôi ( o C)

Khối lượng riêng (kg/m 3 )

Methylcyclohexane 2.691 3.914

Toluene 1.904 2.951 E-Benzene 0.230 0.309

m-Xylene 0.443 0.596

o-Xylene 0.344 0.384 124-

TriMethylBenzene 0.391 0.465

(Nguồn : Cuu Long JOC, Condensate, Su Tu Trang Composition, [4] )

Hiện tại mỏ Sử Tử Trắng đang khai thác hai giếng với lưu lượng khoảng 80 MMSCFD Theo kinh nghiệm ước tính sản lượng thì cứ 1 MMSCFD khí thì có khoảng 130 thùng dầu ở điều khiển chuẩn (STBPD)

Hiện tại, hệ thống xử lý trung tâm Sư Tử Vàng CPP đang hoạt động liên tục 24/24, các thiết bị như máy nén, đường ống, bơm, gần như đang vận hành hết công suất thiết kế Trong khi đó, lưu lượng từ mỏ Sư Tử Trắng đổ về Sư Tử Vàng CPP

ngày càng tăng do mỏ mới được đưa vào khai thác trong hai năm trở lại đây, và sắp tới sẽ đưa vào khai thác nhiều giếng mới nên lưu lượng cũng sẽ tăng lên Đáng kể đến là lưu lượng khí sau khi đổ về Sư Tử Vàng sẽ làm cho máy nén hoạt động quá công suất, dẫn đến những rủi ro cho toàn bộ hệ thống trong quá trình hoạt động

1.2 Giới thiệu về dự án phát triển toàn mỏ Sư Tử Trắng giai đoạn 1

Dự án “Giai đoạn thử nghiệm và sản xuất thời gian dài của mỏ Sư Tử Trắng” (Long Term Production Testing Phase) được đi vào hoạt động năm 2012 Trong giai đoạn đầu, dự án được thiết kế bao gồm một Wellhead Platform (WHC-C) riêng biệt, không có người làm việc trên giàn này và được điều khiển bởi giàn xử lý trung tâm

Sư Tử Vàng CPP Giàn WHP-C được thiết kế để có thể xử lý bốn giếng cao áp, bao gồm ST-1P, ST-2P, ST-3P, ST-4P Nhưng hiện tại chỉ khai thác hai giếng ST-1P và ST-2P với lưu lượng sản phẩm khoảng 80 MMSCFD khí và 10,000 BPD condensate và tất cả sản phẩm khai thác sẽ được vận chuyển về Sư Tử Vàng CPP thông qua đường ống ngầm dưới đáy biển [5]

Như đã đề cập ở trên, giàn xử lý trung tâm Sư Tử Vàng CPP đã đang hoạt động gần như hết công suất, đặc biệt đối với các máy nén Và mục đích của dự án

“Phát triển toàn mỏ Sư Tử Trắng Giai đoạn 1” nhằm gia tăng sản lượng condensate nhưng vẫn giữ lưu lượng khí xuất khẩu là 50 MMSCFD khí về Sư Tử Vàng CPP Bên cạnh đó việc phát triển dự án giai đoạn 1 cũng cung cấp những thông tin về mỏ, vỉa để hỗ trợ Dự án “ Phát triển toàn mỏ Sư Tử Trắng Giai đoạn 2” trong tương lai

sẽ gia tăng đáng kể lưu lượng khí xuất khẩu

Dự án “Phát triển toàn mỏ Sư Tử Trắng Giai đoạn 1” bao gồm việc lắp đặt một giàn nén khí xuống lại vỉa để tiếp tục khai thác (ST-Production and Reinjection Platform, ST-PIP) được liên kết với với giàn WHP-C thông qua một cầu nối giữa hai giàn Việc khoan hai giếng mới ST-5P và ST-6P trên giàn ST- PIP với mục đích

là giếng sản xuất kết hợp với hai giếng bên giàn WHP-C là ST-1P và ST-2P đang là giếng sản xuất sẽ chuyển thành hai giếng dùng để bơm khí nén xuống vỉa nhằm khai thác hai giếng ST-3P và ST-4P Sau khi hoàn thành dự án này thì toàn mỏ sẽ có bốn

giếng khai thác 3P, 4P, 5P và 6P và hai giếng bơm ép xuống vỉa 1P và ST-2P

ST-Ước tính sau khi hoàn thành dự án, sản lượng sản phẩm khí đạt 150 MMSCFD, nén xuống vỉa với lưu lượng 100 MMSCFD, xuất khẩu 50 MMSCFD đến Bạch Hổ CPP Lưu lượng condensate tăng lên khoảng 19,500 BPD

Bên cạnh hệ thống xử lý để nén khí xuống lại vỉa, giàn ST-PIP cũng sẽ có một khu nhà ở ST-LQ (Living Quarters) được thiết kế với sức chứa khoảng 20 người trong giai đoạn 1 để phục vụ sinh hoạt và dự tính sẽ mở rộng lên 60 người trong giai đoạn tiếp theo

Trong tương lai, Giai đoạn 2 của dự án sẽ có thêm khu xử lý khí trung tâm (CGF-Central Gas Facility) [5]

1.3 Tìm hiểu các cụm quy trình xử lý chính trong Dự án

Đối với một hệ thống xử lý trên Platform ngoài biển hay trong bờ thì bao giờ cũng yêu cầu các cụm thiết bị, hệ thống để xử lý Các cụm này có liên hệ mật thiết với nhau, sản phẩm của cụm này là đầu vào của cụm kia Dự án phát triển toàn mỏ

Sư Tử Trắng giai đoạn 1 cũng sẽ có một số cụm thiết bị quan trọng như: Cụm đầu giếng và thiết bị thu gom, thiết bị đo sản lượng, bình tách, cụm nén và làm mát, cụm cung cấp nhiên liệu, cụm bơm ép khí xuống vỉa khai thác, hệ thống xả đốt,….trong phần này sẽ tìm hiểu một số cụm thiết bị như đã liệt kê ở trên

1.3.1 Cụm đầu giếng và thiết bị thu gom

Cụm đầu giếng và thiết bị thu gom tên tiếng anh là Wellhead Production Gathering Manifold, là một cụm các thiết bị gồm một số ống kết nối từ vỉa lên bề mặt của giàn (Wellhead), một thiết bị phía trên bề mặt (Christmas Tree), van giảm

áp (Choke), và một số ống có kích thước lớn (Manifold) có nhiệm vụ thu gom hỗn hợp dầu-khí-nước từ dưới vỉa lên Các van một chiều (Check Valve) và van cô lập (Isolation Valve) được đặt trên các đường ống của cụm để đảm bảo an toàn cho cả đường ống Van giảm áp (Choke) được lắp đặt để giảm áp suất lưu chất từ vỉa đi lên, việc tính toán kích thước Choke sẽ phụ thuộc vào lưu lượng mà ta mong muốn

có được là bao nhiêu Áp suất của dòng sau Choke được điều khiển bằng van điều

khiển áp suất trên thiết bị tách nhưng phải nằm trong giới hạn cho phép hoạt động của bình tách để đảm bảo độ an toàn [6],[7]

Trong dự án phát triển toàn mỏ Sư Tử Trắng giai đoạn 1 gồm có ba cụm thu gom:

- Cụm thu gom thứ nhất: Hiện tại cụm này đang được đặt trên WHP-C, có nhiệm vụ thu gom sản phẩm từ hai giếng ST-3P và ST-4P và vận chuyển về STV CPP

- Cụm thu gom thứ hai: Cụm này sẽ được lắp đặt trên giàn WHP-C có nhiệm

vụ thu gom sản phẩm từ hai giếng ST-3P và ST-4P Sau đó sẽ được chuyển đến bình tách của giàn ST-PIP Cụm này sẽ hoạt động với áp suất khoảng 90 barg

- Cụm thu gom thứ ba: Cụm này sẽ được lắp đặt trên giàn ST –PIP, có nhiệm

vụ thu gom sản phẩm từ hai giếng ST-5P và ST-6P nằm trên giàn ST-PIP, sau đó sẽ chuyển sang bình tách nằm trên giàn này Cụm này được thiết kế có thể thu gom được năm giếng với lưu lượng 200 MMSCFD, ba giếng trong tương lai sẽ được đưa vào khai thác [9]

1.3.2 Thiết bị đo sản lượng giếng

Đối với bất kì một hệ thống thu gom lưu chất từ vỉa khai thác lên bề mặt đều phải có thiết bị kiểm tra nhằm mục đích lấy dữ liệu các thông số như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng của mỗi giếng đang khai thác

Tùy thuộc vào từng giàn khai thác mà thiết bị này có thể là một bình tách (Test Separator) hay là một thiết bị đo lưu lượng nhiều pha (Multiphase Flow Meter, MPFM)

Hiện nay trên giàn WHP-C có một bình tách, có nhiệm vụ đo đạc các thông của từng pha lỏng-khí của rồi trộn chung thành một dòng trong đường ống chuyển

về STV CPP

Trong dự án phát triển toàn mỏ Sư Tử Trắng giai đoạn 1 sẽ sử dụng một thiết

bị đo lưu lượng nhiều pha để đo lưu chất từ giếng ST-5P Còn lưu lượng của giếng ST-6P sẽ được tính toán bằng cách lấy tổng lưu lượng đo tại bình tách trừ đi lưu lượng của giếng ST-5P [3]

1.3.3 Cụm thiết bị phân tách dầu – khí

Cụm thiết bị phân tách dầu khí (Production Separator) là thiết bị chính trong hầu hết các quá trình xử lý dầu khí Sau khi được thu gom tại cụm thu gom đầu giếng, hỗn hợp dầu-khí-nước sẽ được phân tách tại đây Tùy thuộc vào áp suất, thành phần các hydrocarbon và nước có trong dòng lưu chất mà việc chọn lựa hình dáng và số bậc tách cho thiết bị có thể khác nhau Về thiết bị tách sẽ được nói rõ trong phần Cơ sở lý thuyết các thiết bị sử dụng trong dầu khí

Đối với dự án phát triển toàn mỏ Sư Tử Trắng giai đoạn 1, bình tách hai pha

sẽ được lắp đặt Thiết bị tách này sẽ xử lý lưu chất từ cụm thu gom thứ hai nằm trên giàn WHP-C và cụm thứ gom thứ ba nằm trên giàn ST-PIP Khí sau khi được phân tách sẽ chia thành hai dòng: một dòng được đưa đến cụm nén với lưu lượng 100 MMSCFD để cung cung khí nén cho vỉa, dòng còn lại với lưu lượng 50 MMSCFD

sẽ được trộn với dòng lỏng sau bình tách vận chuyển về STV CPP, việc phân chia lưu lượng hai dòng sẽ được điều khiển bằng van điều khiển lưu lượng [10]

1.3.4 Cụm thiết bị nén

Nén là một quá trình phức tạp trong một hệ thống xử lý Tùy thuộc vào áp suất yêu cầu đầu ra và việc đáp ứng của máy nén mà có thể sử dụng nén một bậc hay nhiều bậc Quá trình nén thường kèm theo sự tăng nhiệt độ, nên thường có các thiết

bị làm mát sau mỗi bậc nén, kết hợp với quá trình điều khiển Cũng giống như bình tách, máy nén cũng sẽ được tìm hiểu kĩ trong phần Cơ sở lý thuyết các thiết bị sử dụng trong dầu khí

Một cụm nén gồm hai bậc cũng được lắp đặt tại giàn WHP-C, khí được nén từ

89 barg lên 525 barg – đạt áp suất để nén xuống vỉa Hệ thống nén này cũng bao gồm các thiết bị như: Thiết bị làm mát đầu hút (Suction Cooler), thiết bị tách đầu hút (Suction Scrubber), thiết bị làm mát trung gian (Interstage Cooler), thiết bị tách trung gian (Interstage Scrubber)

Sau khi được nén đến áp suất mong muốn, dòng khí sẽ được chuyển tới giàn WHP-C và tập trung tại cụm bơm ép và phân phối xuống giếng [11]

1.3.5 Cụm bơm ép

Đối với một số giàn khai thác thì khi áp suất vỉa không đủ lớn để đưa lưu chất lên bề mặt thì cần cung cấp khí nén để nâng áp suất của lưu chất lên Hệ thống bơm

ép khí trong dự án sẽ bao gồm hai cụm:

- Cụm thứ nhất sẽ được đặt trên giàn WHP-C và được thiết kế cho 2 giếng với lưu lượng 100 MMSCFD với áp suất hoạt động từ 330 đến 530 barag

- Cụm thứ hai sẽ được đặt trên giàn ST-PIP và được thiết kế cho 2 giếng (trong tương lai khi Giai đoạn 2 được thực hiện) với lưu lượng 100 MMSCFD với

áp suất hoạt động từ 330 đến 525 barg Mặt bích sẽ được sử dụng để kết nối thiết bị [12]

1.3.6 Hệ thống cung cấp nhiên liệu

Hệ thống cung cấp nhiên liệu (Fuel Gas System) là một trong những hệ thống nắm giữ nhiệm vụ quan trọng trong suốt quá trình vận hành của cả một quy trình xử

lý Các thiết bị hoạt động ở áp suất thấp như là thiết bị gia nhiệt, lò hơi Thiết bị hoạt động ở áp suất cao như là tuabin khí Tất cả nhiên liệu trong hệ thống phải được loại bỏ chất rắn – những tạp chất có thể làm cho động cơ, vòi phun nhiên liệu tắt, ngặt Thêm vào đó, nhiệt độ dòng nhiên liệu cần duy trì trên nhiệt độ điểm sương để chống tạo thành các giọt lỏng [13]

Nguồn cung cấp nhiên liệu cho hệ thống này có thể lấy từ dòng khí sau khi ra khỏi bình tách cao áp và khí từ bình tách đầu hút (Suction Scrubber) trước khi vào thiết bị tách lỏng để loại bỏ nước, tránh gây ăn mòn thiết bị và sẽ được gia nhiệt rồi cung cấp cho các thiết bị cần sử dụng năng lượng

Nhiên liệu cấp cho máy phát điện cũng có thể được cung cấp bởi hệ thống cung cấp dầu diezel (Diesel System) như là một hệ thống bổ sung (Backup Generator) đề phòng hệ thống cấp nhiên liệu bị sự cố Hệ thống Diesel System bao gồm một bình dự trữ, bể chứa sử dụng trong một ngày, bơm tiếp vận (Transfer Pump) và bộ phận lọc được cung cấp bởi tàu chứa nhiên liệu (Workboat)

Một hệ thống cung cấp nhiên liệu (Fuel Gas) sẽ gồm nhiều thiết bị khác nhau, mỗi thiết bị sẽ đảm nhiệm một nhiệm vụ nhất định Các thiết bị thường đi kèm với

hệ thống này là:

- Thiết bị tiền làm mát (Fuel Gas Pre-Cooler)

- Thiết bị tách lỏng (Fuel Gas Scrubber)

- Thiết bị lọc (Fuel Gas Filter)

- Thiết bị quá nhiệt (Fuel Gas Superheater)

- Thiết bị bơm Condensate (Condensate Pump)

- Máy phát điện (Gas Turbine Generator) [14]

1.3.7 Hệ thống nước làm mát

Quá trình làm mát lưu chất thường lắp đặt trước máy nén, vì quá trình nén sẽ kéo theo nhiệt độ tăng Làm mát để hạ nhiệt độ lưu chất trước khi vào máy nén, giúp máy nén hoạt động ổn định hơn

Hệ thống nước làm mát được lắp đặt và xử lý trên khu nhà ở (ST-Living Quarter) để cung cấp nước mát (Fresh Water hay Cooling Water) cho thiết bị làm mát đầu hút (Gas Reinjection Suction Cooler) và Thiết bị làm mát trung gian (Gas Reinjection Interstage Cooler) với nhiệt độ tối đa là 35ºC Nhiệt độ nước làm mát sẽ tăng lên sau khi trao đổi nhiệt với dòng nhiệt độ cao, khi đó nó sẽ được chuyển đến bình chứa và trao đổi nhiệt với nước biển và xử lý tiếp trước khi được dùng để làm mát lưu chất Nước làm mát cũng được bổ sung chất ức chế chống ăn mòn trong quá trình xử lý

Hệ thống nước làm mát thường gồm những thiết bị sau đây:

- Bình giãn nở sau khi nước mát đã trao đổi nhiệt (Cooling Water Expansion Vessel)

- Máy bơm chất xử lý cho nước làm mát (Cooling Water System Chemical Dosing Pump)

- Máy bơm tuần hoàn (Cooling Water Circulation Pumps)

- Thiết bị trao đổi nhiệt với nước biển (Sea Water/Cooling Water Exchanger) [15]

1.3.8 Hệ thống đốt, xả

Hệ thống đốt, xả liên quan đến việc vận hành an toàn của toàn bộ hệ thống Mục đích của hệ thống này nhằm loại bỏ một cách an toàn chất khí và lỏng đến từ các cụm khác Một ví dụ được đưa ra như trong quá trình vận hành, vì một sự cố nào đó, áp suất hoạt động của bình tách hoạt động quá ngưỡng cho phép, bắt buộc van trên đường khí sẽ xả ra nhằm ổn định lại áp suất, thì những khí được xả ra này

sẽ được tập trung tại hệ thống này và được đốt tại Flare thay vì xả trực tiếp ra môi trường để tránh gây ô nhiễm [16]

Trong dự án phát triển toàn mỏ Sư Tử Trắng giai đoạn 1 sẽ có một Flare để thu gom tất cả các khí được xả từ thiết bị trên bề mặt của giàn khai thác (topside) tại giàn ST-PIP cùng với các thiết bị trên giàn WHP-C

Hệ thống xả Flare sẽ bao gồm hai hệ thống xả cao áp (HP Flare) và hệ thống

xả thấp áp kết hợp với bình thu gom condensate từ các bình tách lỏng (Closed Drain Vessel) [17]

Hệ thống này thường được kế hợp với hệ thống xả cao áp (HP Flare) để thu hồi các chất lỏng có trong đó, cũng như những hydrocarbon dễ bay hơi có trong dòng lỏng

sẽ được chuyển lên Flare để đốt Hệ thống thu gom lỏng bao gồm các thiết bị sau:

- Bình chứa thu hồi lỏng (Closed Drain Vessel)

- Cụm thu hồi lỏng (Closed Drain Header)

Bên cạnh đó còn có hệ thống thu gom lỏng mở (Open Drain System) để thu gom các chất lỏng ở những nơi trên Platform mà không nằm trong đường ống như nước tràn, nước mưa,… rồi sẽ được chứa vào bình chứa (Open Drain Tank) xử lý (có thể thu hồi hydrocacbon nếu có) [18]

1.3.10 Khu nhà ở

Đối với dự án phát triển toàn mỏ Sư Tử Trắng giai đoạn 1 sẽ được trang bị một khu nhà ở (Living Quarter) với sức chứa 20 người, và sẽ được mở rộng lên 60 người trong giai đoạn 2 Tất cả các trang thiết bị sẽ được trang bị để đáp ứng điều kiện sinh hoạt cho 60 người

Khu nhà ở cũng được liên kết với giàn xử lý khí trung tâm (Central Gas Facility Platform-CGF) trong tương lai

1.4 Cơ sở lý thuyết các thiết bị sử dụng trong dầu khí

Để đạt được hiệu quả về yêu cầu sản phẩm của một quá trình xử lý nào đó trong ngành công nghệ kỹ thuật hóa học nói chung và kỹ thuật dầu khí nói riêng thì bên cạnh các yếu tố như chất lượng nguyên vật liệu đầu vào, người kĩ sư vận hành, thì cần phải kể đến các thiết bị như bình tách, bình phản ứng, bơm, van, đường ống, những thiết bị sẽ đảm nhiệm những nhiệm vụ nhất định nhằm đem lại hiệu quả xử lý tốt nhất theo như yêu cầu đặt ra Nắm bắt rõ được những đặc điểm của thiết bị không những giúp người kĩ sư có thể dễ dàng thiết kế thiết bị đó cho một quy trình mới mà còn giúp họ có thể vận hành nó được tốt, đảm bảo an toàn trong suốt quá trình vận hành Trong phần này, các thiết bị chính trong thiết kế hệ thống

xử lý mỏ Sư Tử Trắng giai đoạn 1 sẽ được giới thiệu Những nội dung như chức năng, nguyên lý hoạt động, phân loại, cấu tạo và các thông số thiết kế của từng loại thiết bị cũng sẽ được đề cập

1.4.1 Bình tách

Tách là một quá trình xử lý cực kì quan trọng trong công nghiệp dầu khí, đặc biệt là quá trình xử lý tại các giếng khai thác Lưu chất từ giếng thường là hỗn hợp gồm hydrocarbon lỏng, khí, và một số tạp chất cơ học Việc loại bỏ khí và phần lớn các tạp chất cơ học từ hydrocarbon lỏng trước khi tồn trữ, vận chuyển và phân phối

sẽ quyết định được chất lượng các sản phẩm, có ảnh hưởng đến các quá trình xử lý tiếp theo [21] Một ví dụ được minh chứng, nếu quá trình tách nước ra khỏi hỗn hợp dầu-khí-nước mà còn quá nhiều nước trong pha dầu thì dẫn đến gây ăn mòn trong đường ống vận chuyển, tạo hệ nhũ tương giữa dầu và nước, gây tốn kém cho quá

trình xử lý tiếp theo.Vì vậy tìm hiểu về chức năng, nguyên lý, cấu tạo,…của bình tách là việc quan trọng đối với người kĩ sư thiết kế và vận hành

a) Định nghĩa

Bình tách (Separator) là thuật ngữ chung chỉ những thiết bị dùng để tách hỗn hợp khí-lỏng, khí-lỏng-lỏng, khí-rắn, lỏng-rắn hoặc khí-lỏng-rắn thành những pha riêng biệt Bên cạnh đó, còn có một số thuật ngữ tiếng anh với tên gọi khác nhau dùng để thể hiện chức năng của từng loại bình tách được sử dụng trong mỗi trường

hợp khác nhau cũng được thể hiện dưới Bảng 1.4

Knock out Drum Dùng để tách hỗn hợp khí-lỏng cho cả trường hợp

tỉ số khí/lỏng thấp hoặc cao

Scrubber Dùng để tách hỗn hợp có tỉ số khí/lỏng cao

Test Separator Dùng để đo các tính chất dòng khai thác, thường

được đặt gần đầu giếng của mỏ

Slug Catcher

Một hệ thống gồm nhiều ống hoặc chỉ một bình tách lớn để xử lý dòng đi vào với lưu lượng lỏng lớn, thường gặp trong hệ thống xử lý khí

Surge Drum

Được sử dụng để cung cấp một thời gian xử lý thích hợp để điều khiển được lưu lượng đi vào và đi ra được ổn định

(Nguồn: Separator Equipment, Gas Processors Suppliers Association, The

Thirteenth Edition, Page 7.2, [22].)

b) Nguyên lý của quá trình tách

Có nhiều nguyên lý được sử dụng để tách một chất từ một hỗn hợp nào đó Những nguyên lý thường đạt được trong một quá trình tách vật lý gồm có: tách

moment, lắng trọng lực (Gravity sellting), lực ly tâm (Centrifugal force) và kết khối (Coalescing) Bất cứ thiết bị tách nào đều áp dụng một trong số những nguyên lý nêu trên Một lưu chất muốn tách ra khỏi một hỗn hợp đòi hỏi lưu chất đó phải không trộn lẫn được và có sự khác nhau về tỷ trọng với các lưu chất khác trong hỗn hợp thì quá trình tách mới xảy ra

Trong quá trình tách, các giọt lỏng bị phân tán trong pha khí sẽ lắng đọng trong pha liên tục nếu trọng lực (Gravity) tác động trên nó lớn hơn tổng của lực kéo (Drag) xung quanh cộng với lực đẩy Arsimet trong pha liên tục Đường kính của các hạt lỏng thường được tính bằng đơn vị micromet, 1µm = 10-6 mét [19] Những hạt có đường kính lớn hơn 10µm sẽ được tách Những hạt có kích thước nhỏ hơn thường được gọi là vi hạt (particulates), việc tách các hạt này bằng phương pháp va đậm, lực ly tâm thường không mang lại hiệu quả mà phải dùng các thiết bị được chế tạo hiện đại như bộ phận chiết sương,… [20]

Một thông số cũng rất quan trọng trong quá trình rớt và lắng đọng của các hạt lỏng, đó là vận tốc tới hạn (Terminal Velocity), nó là một thông số rất quan trọng để đạt được hiệu quả tách Thuật ngữ vận tốc cuối hay vận tốc tới hạn được định nghĩa như là vận tốc lớn nhất cần thiết để các hạt lỏng trong bình tách có thể rớt xuống và lắng đọng trong pha liên tục Miễn là vận tốc hơi trong pha khí nhỏ hơn vận tốc tới hạn thì các giọt lỏng sẽ rớt xuống [23] Nếu trường hợp ngược lại, vận tốc tới hạn nhỏ hơn vận tốc hơi trong pha hơi thì các giọt lỏng sẽ bị cuốn theo khỏi dòng khí, dẫn đến hiệu quá tách không đạt Trong thực tế, những hạt lỏng có kích thước nhỏ rất khó kết tụ nếu chỉ có tác động của trọng lực, chúng sẽ kết tụ với nhau tạo thành các hạt có kích thước lớn hơn, sau đó mới lắng xuống [23] Đối với một quá trình lắng trọng lực thì có nhiều định luật với các phương trình khác nhau để tính vận tốc tới hạn với sự khác nhau về tỷ trọng của hai lưu chất Vận tốc tới hạn của giọt lỏng

bị kết tụ đó sẽ được tính toán dựa trên cân bằng lực của các lực đó Phương trình 1.1 thể hiện cách tính vận tốc tới hạn của dòng hơi mà các giọt lỏng có thể kết tụ như sau:

UT = √2 g Mp.(ρl− ρg)

ρg ρc Ap CD , (1.1) Trong đó,

UT : Vận tốc tới hạn m/s

Mp : Khối lượng của giọt lỏng rớt, kg

ρl : Khối lượng riêng của pha lỏng, kg/m3

ρg : Khối lượng riêng của pha khí, kg/m3

CD : Hệ số kéo của hạt lỏng

AP : Diện tích bề mặt chất lỏng, m2

ρc : Khối lượng riêng pha liên tục, kg/m3

g : Gia tốc trọng trường, m2/s

Hệ số CDtrên phương trình 1.1 phụ thuộc vào hình dạng của từng loại hạt và

có mối liên hệ với chuẩn số Reynolds của dòng chảy lưu chất Do đó vận tốc tới hạn cũng là một hàm của chuẩn số Reynolds

Bên cạnh đó, vận tốc tới hạn cũng được tính theo phương tình thực nghiệm Sauders-Brown Phương trình 1.2 thể hiện cách tính vận tốc tới hạn bằng thực nghiệm:

UT = K√ρl ρ− ρg

g , (1.2) Việc lựa chọn hằng số K trong phương trình 1.2 phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Tính chất của lưu chất

- Loại bình tách thiết kế

- Kích thước của giọt lỏng ngưng tụ

- Vận tốc hơi của dòng khí

- Số bậc tách được yêu cầu,…[24]

Bảng 1.5 đưa ra một số giá trị của hệ số K thường được sử dụng trong thiết kế loại bình tách

Một thuật ngữ cũng thường được nhắc đến trong quá trình tách, đó là tỉ số khí/dầu (GOR), được định nghĩa là thể tích của khí thoát ra trên thể tích của dầu hoặc condensate tại áp suất khí quyển hay tại một điều kiện quy định nào đó, nó thường được biểu diễn bằng Sm3/m3 hoặc MMSCFD/BOP (Thùng dầu/ngày) Trong hầu hết các quá trình tách, nước cũng đồng hành với hydrocarbon trong quá trình tách, có thể nằm ở dạng hơi cùng với khí hoặc dạng lỏng đi cùng với dầu hoặc condensate, đơn vị thể tích nước cũng được biễu diễn giống như đơn vị của tỉ số khí/dầu [19]

Bảng 1.5 Lựa chọn hệ số K thông qua kích thước đường ống

Loại bình tách

Chiều cao (chiều dài)

Bình tách trụ ngang

10 Kích thước khác

0.40 – 0.50 0.40 – 0.5.(L/10)0.56

i) Bộ phận tách thứ cấp (Primary Separation Section)

Bộ phận này dùng để loại bỏ phần lớn lượng lỏng có trong dòng vào với việc

sử dụng thiết bị chuyển dòng chảy (Inlet Diverter), lưu chất dòng vào sẽ va đập vào thiết bị này làm thay đổi moment chuyển động, chuyển hướng dòng chảy rồi lắng xuống theo nguyên lý lắng trọng lực

ii) Bộ phận tách sơ cấp (Secondary Separation Section)

Nguyên lý tách chính của bộ phận này là lắng trọng lực của chất lỏng từ dòng vào sau khi vận tốc của lưu chất đã giảm nhờ vào bộ phận chuyển dòng Hiệu suất lắng đọng của chất lỏng trong bộ phận này phụ thuộc vào tính chất của pha lỏng-khí, kích thước hạt và mức độ hỗn loạn của dòng khí Một số loại bình tách được thiết kế kèm theo bộ chuyển hướng dòng chảy bên trong (Internal Bafflers) để giảm

sự hỗn loạn cũng như bọt khí xuất hiện trong bộ phận này

iii) Bộ phận chứa chất lỏng (Liquid Separation Section)

Tất cả chất lỏng trong quá trình tách sẽ được tập trung tại bộ phận này Vùng này nên hạn chế sự xáo trộn hay làm hỗn loạn của các dòng khí Dung tích của nó phải đủ để chứa khi mực chất lỏng trong bình dâng lên cũng như cung cấp đủ thời gian lưu cần thiết để tách được khí hòa tan trong pha lỏng và tách được lượng nước

tự do trong dầu nếu như sử dụng cho bình tách ba pha Một bộ phận ngăn cản dòng xoáy (Vortex Breaker) có thể được lắp đặt trên đường ra của dòng dầu để ổn định dòng chảy ở đáy của bình tách

iv) Bộ phận khử (chiết) sương (Mist Eliminator Section)

Bộ phận chiết sương có nhiệm vụ loại bỏ những hạt lỏng còn lại trong dòng khí có đường kính khoảng 10 micro mét trước khi đi khỏi bình tách Thông thường

sẽ có ít hơn 0.1 gallon trên 1 triệu feet khối khí (MMSCFD) Nó thường được sử dụng đối với bình tách có kích thước nhỏ

Để đạt được hiệu quả, bộ phận khử sương phải đảm nhiệm hai chức năng cơ bản sau Thứ nhất, nó phải giữ hoặc bẫy được chất lỏng Thứ hai, phải cho chất lỏng rơi xuống bộ phận chứa lỏng mà không được hòa tan với dòng khí bay lên đỉnh

Có nhiều loại chiết sương với tên gọi khác nhau như dạng lưới (Mesh Mist Eliminator), dạng cánh (Vane Mish Eliminator) và dạng cyclon (Cyclonic Mist Eliminator)

Đối với bộ phận chiết sương bằng lưới (Mesh Mist Eliminator) hay còn gọi là đệm (pads) thường được làm bằng kim loại hay nhựa với các sợi dây đan xen với nhau từng lớp một cách rất cứng cáp Loại này loại bỏ các hạt lỏng bằng sự va chạm

của giọt lỏng đó lên những tấm lưới, có thể tạo thành các hạt có kích thước lớn hơn cho đến khi rơi xuống bộ phận chứa

Đối với bộ phận chiết sương dạng cánh (Vane Mish Eliminator) sử dụng các tấm kim loại sắp xếp gần nhau với hình dạng trong giống đường cong hình sin hoặc hình zíc zắc Chính vì điều này đã làm cho dòng chảy của dòng lưu chất thay đổi gây nên sự va đập của các giọt lỏng vào bề mặt của tấm kim loại làm cho chúng kết

tụ và rơi xuống bộ phận chứa

Đối với bộ phận chiết sương dạng Cyclon (Cyclonic Mist Eliminator) thì sử dụng lực ly tâm để tách các giọt lỏng và rắn ra khỏi dòng khí dựa trên sự khác nhau

về tỷ trọng Lợi thế chính của việc dùng bộ phận chiết sương dạng cyclon là hiệu suất loại bỏ các hạt lỏng rất cao khi hoạt động ở áp suất cao và lưu lượng khí lớn [26],[27]

v) Hệ thống điều khiển (Process Control System)

Có hai thông số chính được điều khiển trong bình tách, đó là áp suất và mức chất lỏng Áp suất hoạt động của bình tách phụ thuộc vào áp suất dòng khí trên đỉnh, áp suất dòng đi từ giếng khai thác và một giá trị áp suất mong muốn của người thiết kế quy trình sao cho đảm bảo nhiều yếu tố khác Trong khi áp suất bình tách thường được điều khiển bởi dòng khí đi ra thì mức chất được điều khiển bởi dòng lỏng đi ra Thiết bị thực thi cho các lệnh điều khiển là van điều khiển (Control

Valve)

vi) Thiết bị giảm áp (Relief Devices)

Hầu hết các bình tách dù hoạt động ở áp suất nào hay kích thước ra sao thì cũng có thiết bị bảo vệ áp suất (Pressure Protective Devices) và được lắp đặt phù hợp với yêu cầu của tiêu chuẩn ASME (American Society of Mechanical Engineers) Những thiết bị giảm áp nhiều lớp như là Van xả áp (Relief Valve) được kết nối với đĩa phá hủy (rupture disk) Van xả áp sẽ được tính toán và cài đặt áp suất làm việc tối đa cho phép của bình tách, áp suất được cài đặt cho đĩa phá hủy lớn hơn

áp suất cài đặt của van xả áp [26]

Hình 1.2, Hình 1.3, Hình 1.4 thể hiện các bộ phận chính trong một bình tách

d) Phân loại bình tách

Kích thước của bình tách phụ thuộc vào lưu lượng của dòng lưu chất đi vào

Có nhiều cách để phân loại bình tách như phân loại theo hình dáng, chức năng, áp suất,

Dựa vào thành phần lưu chất của giếng nó có thể tách nhiều giai đoạn, một bậc, hay hai bậc Hầu hết các bình tách được thiết kế để tách hai pha khí-lỏng, và cũng có thể thiết kế để tách khí-lỏng và nước tự do

Đối với những dòng có áp suất cao thì thường sử dụng nhiều bậc tách như bình tách áp suất cao (High Pressure Separator), bình tách áp suất trung bình (Intermediate Pressure Separator) và bình tách áp suất thấp (Low Pressure Separator) Thông thường áp suất dòng lưu chất cao thì sẽ có nhiều bậc tách hơn [21]

Đối với việc phân loại theo hình dạng thì bình tách được chia thành ba loại

- Bình tách nằm ngang (Horizontal Separator)

- Bình tách trụ đứng (Vertical Separator)

- Bình tách hình cầu (Spherical Separator)

Phụ thuộc vào số pha tách mà việc phân chia theo hình dạng có thể là bình tách hai pha (khí-dầu), ba pha (khí-dầu-nước), bình tách có hoặc không có bộ phận chiết sương (Mist Extractor/ Eliminator) Hình 1.2, Hình 1.3, Hình 1.4 thể hiện ba dạng bình tách, kèm theo chú thích của mỗi bộ phận trên bình tách

Cả bình tách hình trụ và dạng nằm ngang thường được sử dụng, mỗi loại cũng

có ưu và nhược điểm riêng, phụ thuộc vào tính chất của dòng lưu chất cần phân tách Bảng 1.6 liệt kê những ưu và nhược điểm của 2 loại này