Địa chất và dầu khí - Chương 1: Tổng quan về khí thiên nhiên

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN GVGD: ThS. Hoàng Trọng Quang GVTG: ThS. Hà Quốc Việt Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 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 11/14/2013 2Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 3 GIỚI THIỆU Khí thiên nhiên là một dạng năng lượng hóa thạch không màu, không mùi, thành phần chủ yếu là metan, thành phần phụ gồm Etan, Propane, Butan, CO2, H2S… Khí thiên nhiên cháy trong môi trường không khí và sinh nhiệt. Tuỳ thuộc vào thành phần của hỗn hợp khí thiên nhiên mà giá trị nhiệt lượng khí cung cấp từ 700Btu/scf đến 1600Btu/scf. 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). Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHIỆP KHÍ THIÊN NHIÊN 11/14/2013 4Hình 1: Sơ bộ về công nghiệp dầu khí (Adapted from Canon, 1993) Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHIỆP KHÍ THIÊN NHIÊN 11/14/2013 5Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Hình 2: Ngành công nghiệp khí thiên nhiên Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 CÁC DẠNG SỬ DỤNG 11/14/2013 6Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Hình 3 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 MỨC ĐỘ GÂY Ô NHIỄM 11/14/2013 7 Bảng 1 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG SƠ CẤP 11/14/2013 8Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM HÌNH 4: Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 TRỮ LƯỢNG KHÍ CỦA CÁC NƯỚC HÀNG ĐẦU 11/14/2013 9Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM HÌNH 5: Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 SẢN LƯỢNG KHAI THÁC KHÍ VÀ TRỮ LƯỢNG THEO KHU VỰC 11/14/2013 10 Bảng 2: Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 MỨC TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG TOÀN CẦU ĐẾN NĂM 2020 11/14/2013 11Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM HÌNH 6: Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 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 12Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 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,...) 11/14/2013 13Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 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. 11/14/2013 14Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 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). 11/14/2013 15Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 16 TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN Ta biết rằng các hydrocacbon nặng hơn có trong những khí này có thể thu hồi dưới dạng chất lỏng. Lượng chất lỏng có khả năng thu hồi được tính tính theo đơn vị gallon chất lỏng ở điều kiện 600F/1000 scf khí ở điều kiện chuẩn, gọi là GPM. Một khí nào đó được xác định là khí giàu hay khí nghèo thì dựa vào bảng phân loại dưới đây: Sự phân loại trên đây chủ yếu dựa trên hàm lượng etan và các hydrocacbon nặng hơn Nếu etan không thể thu hồi dưới dạng chất lỏng, giá trị GPM có thể được dựa theo propan và các hydrocacbon nặng hơn (C3+). Khí nghèo < 2,5 GPM Khí trung bình 2,5 – 5 GPM Khí dầu > 5 GPM Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 17 TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN 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 có khối lượng phân tử nhẹ nhất, tới các hợp chất hydrocacbon no có số nguyên tử cacbon lên tới 33 và các chuỗi hydrocacbon thơm có số lượng phân tử cacbon lớn trên 20. Phân loại một số sản phẩm dầu khí theo thành phần Hydrocacbon Bảng 3 Phần trăm phần mol Dạng chất lưu Methane (C1) Trung gian (C2-C6) Heptanes+ Dầu đen 30 35 35 Dầu bay hơi 55 30 15 Condensate 70 22 8 Khí khô 90 9 1 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 18 TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN 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 Dạng chất lưu Bsto/Brf Scf/bsto oAPI Màu 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 hơi 40 nhiều màu, thường nâu Khí ngưng tụ (Condensate) > 0,35 3300 – 50000 50 – 60 Nhẹ hay nước, trắng Khí ướt (Wet gas) - > 50000 > 50 Nước, trắng Khí khô (dry gas) - - - - Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Bảng 4 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 19 TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN 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. Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 20 Thành phần thường thấy trong khí thiên nhiên, bảng sau: Loại Hàm lượng Các hợp chất hydrocacbon Metan 79 – 98% Etan 1 – 10% Propan Rất ít – 5% Butan Rất ít – 2% Pentan Rất ít – 1% Hexan Rất ít – 0,5% Heptan Rất ít – 0,5% Các hợp chất không phải hydrocacbon Nitơ Rất ít – 15% Cacbonic Rất ít – 5% Hydrosulfua Rất ít – 3% Heli Rất ít hoặc không có, đôi khi là 5% Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Bảng 5 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 21 Thành phần và hàm lượng trong khí tách từ chất lỏng bão hòa khí Các chất N2, CO2, H2S không phải là các hợp chất hydrocacbon. Các chất này chủ yếu thu được ở điều kiện bề mặt. Loại Hàm lượng Các hợp chất hydrocacbon Metan 45 – 92% Etan 4 –21% Propan 1 – 15% Butan 0,5 – 7% Pentan < 3% Hexan < 2% Heptan Không đáng kể Các hợp chất không phải hydrocacbon Nitơ < 10% Cacbonic < 4% Hydrosulfua < 6% Heli Không có Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Bảng 6 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 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 khí thiên 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) Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 THÀNH PHẦN KHÍ THIÊN NHIÊN 11/14/2013 23 Bảng 7: Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 THÀNH PHẦN KHÍ THIÊN NHIÊN TẠI MỘT SỐ MỎ 11/14/2013 24 Bảng 8: Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 THÀNH PHẦN KHÍ THIÊN NHIÊN TẠI MỘT SỐ MỎ 11/14/2013 25 Bảng 9: Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 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. Phân loại: Tính chất vật lý: khí khô, khí ướt, khí ngưng tụ Tính chất hóa học: khí chua, ngọt Thành phần: khí gầy, khí béo Thuật ngữ “Raw Gas”: chỉ khí thiên nhiên lấy từ vỉa chưa được xử lý (chưa tách nước, các chất trơ, H2S...khí ngưng tụ và bất kỳ loại HC nào) 11/14/2013 26Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Phân loại chất lưu trong vỉa Phaân Loaïi: 1.Khí khoâ 2.Khí öôùt 3.Khí condensate 4.Daàu nheï 5.Daàu naëëng Example compositions Söï phaân loaïi heä thoáng chaát löu trong væa döïa theo:  Nhieät ñoä cuûa væa, trong ñoù caàn chuù yù tôùi nhieät ñoä tôùi haïn vaø nhieät ñoä cao nhaát  Nhieät ñoä vaø aùp suaát cuûa nhöõng chaát taùch ôû giai ñoaïn ñaàu tieân trong ñoù caàn chuù yù ñeán bieåu ñoà pha cuûa chaát löu væa 11/14/2013 27Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 KHÍ KHÔ Khí khô (Dry Gas): khí chứa tối đa 0.1gallons condendate trong 1000ft3 khí Thành phần chính là C1 có thêm thành phần không chứa HC như N2 và CO2 Từ vỉa lên bề mặt: tồn tại dưới dạng đơn pha khí (thành phần condensate bị loại trừ) 11/14/2013 28Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Biểu đồ pha của khí khô Khí khô Thaønh phaàn chuû yeáu laø C1, theâm vaøo ñoù laø nhöõng thaønh phaàn voâ cô nhö N2 vaø CO2. Khí khoâ toàn taïi 1 pha duy nhaát töø ñieàu kieän væa leân ñeán ñieàu kieän beà maët 11/14/2013 29Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM HÌNH 7: Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 KHÍ ƯỚT Khí ướt (Wet Gas): khí chứa tối thiểu 0.1gallons condendate trong 1000ft3 khí Ở điều kiện bề mặt khác với điều kiện vỉa, pha lỏng xuất hiện nhưng không nhiều. Ở điều kiện vỉa là khí ướt nhưng ở điều kiện bề mặt thì một phần ngưng tụ thành condensate 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 11/14/2013 30Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Biểu đồ pha của vỉa khí ướt Chuû yeáu hoãn hôïp bao goàm nhöõng hydrocarbon nheï (C1, C2, C3, C4 ) Khí öôùt seõ khoâng bieán thaønh condensate ôû ñieàu kieän væa, maø chæ thaønh condensate ôû taïi ñieàu kieän beà maët 11/14/2013 31Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM HÌNH 8: Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 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 tụ ở điều kiện bề mặt Tỷ số khí dầu thay đổi trong khoảng 3000 – 150,000 SCF/STB 11/14/2013 32Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Biểu đồ pha của vỉa khí ngưng tụ Khí condensate Chæ coù maët trong nhöõng thaønh phaàn HC naëng hôn nhö C4-C7+, vuøng bao pha seõ roäng hôn, do ñoù nhieät ñoä væa seõ naèm trong vuøng nhieät ñoä tôùi haïn vaø nhieät ñoä cao nhaát. Söï ngöng tuï xaûy ra ôû ñieàu kieän beà maët. Chaát loûng trong væa giaûm thöôøng giaûm söï thu hoài condensate, do ñoù daãn tôùi khaû naêng linh ñoäng cuûa hoãn hôïp giaûm. 11/14/2013 33Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM HÌNH 9: Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Biểu đồ pha của dầu nhẹ Daàu nheï Coù thaønh phaàn taïo daàu naëng hôn khí condensate. Theå tích cuûa daàu nheï seõ bò co laïi phaàn lôùn vôùi ñieàu kieän aùp suaát do söï bay hôi cuûa khí khi aùp suaát nhoû hôn aùp suaát ñieåm soâi. Tyû soá khí daàu (GOR) thì naèm trong khoaûng töø 1000 ñeán 3000 SCF/Stb. 11/14/2013 34Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM HÌNH 10: Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Bieåu ñoà pha cuûa cæa daàu naëng Daàu naëng Daàu naëng chöùa nhieàu hôn 25% thaønh phaàn C7 + . Daàu naëng thì coù söï co theå tích khoâng ñaùng keå khi ta khai thaùc GOR ñieån hình ít hôn 1000 SCF/Bbl . Khí caân baèng laø khí khoâ vaø soá löôïng chaát loûng khai thaùc ñöôïc töø væa khí thì thöôøng bò boû qua. 11/14/2013 35Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM HÌNH 11: Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 SO SÁNH GIÃN ĐỒ PHA CÁC LOẠI CHẤT LƯU VỈA P1 = Initial Reservoir Pressure T1 = Formation Temperature C = Critical point = Pressure reduction in reservoir ------ = Pressure reduction to surface conditions 11/14/2013 36Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM HÌNH 12: Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 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. 11/14/2013 37Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 HỆ THỐNG THU GOM, XỬ LÝ, CHẾ BIẾN DẦU KHÍ 11/14/2013 38Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM HÌNH 13 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 MỤC ĐÍCH XỬ LÝ Sử dụng khí thiên nhiên với hai mục đích chính: nhiên liệu và nguyên liệu cho hoá dầu. Mục đích xử lý khí thiên nhiên: Làm sạch: loại bỏ một số tạp chất theo tiêu chuẩn sử dụng cho nhiên liệu công nghiệp và sử dụng gia đình. Tách: phân tích ra những thành phần có giá trị cao như nguyên liệu hoá dầu, nhiên liệu tinh khiết (e.g., propane), hoặc khí công nghiệp (e.g., ethane, helium) Hoá lỏng: tăng thêm mật độ năng lượng cho lưu trữ và vận chuyển 11/14/2013 39Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 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... 11/14/2013 40Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 QUY CÁCH SẢN PHẨM CỦA KHÍ THIÊN NHIÊN Sản phẩm lỏng 11/14/2013 41 BẢNG 8 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 42 Sản phẩm lỏng của khí thiên nhiên Các sản phẩm khí thiên nhiên thu hồi ở dạng lỏng và ứng dụng của nó Sản xuất khí hóa lỏng (NGL) Sử dụng Ethane Nguyên liệu hoá dầu Propane Công nghiệp, năng lượng trong nước, 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 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM BẢNG 9 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 QUY CÁCH SẢN PHẨM CỦA KHÍ VẬN CHUYỂN Quy cách sản phẩm của Khí vận chuyển trong đường ống 11/14/2013 43 BẢNG 10 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 KHÍ THIÊN NHIÊN VÀ CÁC SẢN PHẨM SAU XỬ LÝ 11/14/2013 44Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM HÌNH 14 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 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. Vì thế, việc lấy mẫu khí thiên nhiên cần phải tiến hành cẩn thận, theo đúng trình tự yêu cầu. Tuy nhiên thực tế việc lấy mẫu khí thiên nhiên lại ít khi được 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 phản ánh 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 không trượt (liquid holdup) thay đổi theo gradient vận tốc trong lưu chất – không thể cho độ tin cậy tuyệt đối. Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 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 tích tiếp theo sau khi khí ra khỏi bình tách khí và chất lỏng cho phép tái kết hợp để đạt được kết quả phân tích dòng chảy giếng. Điều này là lý do các bình đo thậm chí được lắp đặt ngoài khơi nơi có không gian và khối lượng 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 nguyên nhân 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. Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 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. Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 48 Hefley và các cộng sự (1985) đã đưa ra bản báo cáo về việc lấy mẫu khí thiên nhiên. Chương trình lấy mẫu này như là nền tảng cơ bản để bổ sung và sửa chữa tiêu chuẩn GPA 2166 cũng như để kiểm tra cả 8 phương 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 cả bằng cả 8 phương pháp. Tuy nhiên bản báo cáo này cũng xếp loại độ chính 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 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 49 Sự thay thế Glycol Áp suất giảm (Reduced Pressure) Floating Piston Cylinder Bơm Helium đến 5psig Bình chân không Trong thực tế phương pháp Purge and Fill là phương pháp phổ biến nhất, trong khi đó phương pháp Floating Piston Cylinder đang được sử dụng ngày càng nhiều. Một vài vấn đề có thể xảy ra quá trình lấy mẫu khí thiên nhiên: Sự ngưng tụ của Hydrocacbon do sự thay đổi áp suất và nhiệt độ trong quá trình lấy mẫu. Sự dính bám của các giọt nhỏ chất lỏng và sương (mist). Các phân tử của mẫu có thể phản ứng với bình chứa. Một vài thành phần mẫu có thể bị hòa tan trong môi trường thế trung gian. Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 50 Các quá trình tiếp theo rất quan trọng trong công tác lấy là phải đảm một lượng tương đối nhỏ các thành phần có khả năng ngưng tụ giữ lại trong pha khí và được loại bỏ khi đi tới sắc phổ kế hay phổ khối. Trong khí thiên nhiên, lượng khí H2S nhỏ có thể bỏ qua. Khí H2S tác dụng khá nhanh với thép các bon và nó có thể không phải có ở trong tất cả các khí mẫu. Bình lấy mẫu bằng thép không rỉ nên được sử dụng nếu nghi ngờ có sự hiện diện một hàm lượng lớn H2S trong khí mẫu. Mặt khác ngay bản thân loại thép không rỉ Austenic cúng có khả năng hấp thụ một lượng nhỏ H2S. Tiêu chuẩn GPA 2261 đề nghị khí được tiến hành phân tích tại nguồn của nó thì hàm lượng H2S nhỏ hơn 3% bằng phương pháp 2377 theo tiêu chuẩn GPA. Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 51 Quy trình lấy mẫu dưới đây được Toole đề nghị: Sử dụng thiết bị lấy mẫu có chứa một bộ tách khí khỏi nước dạng lọc lại đối với hệ thống lấy mẫu phù hợp với dòng chảy tính từ van nguồn. Điều này có tính chất bắt buộc đối với các mẫu khí ướt. Sử dụng bộ ống lấy mẫu được gia nhiệt để ngăn cản sự toạ thành condensat do nhiệt độ môi trường xung quanh thấp trong suốt quá trình lấy mẫu. Giữ cho đường ống dẫn lấy mẫu càng ngắn càng tốt. Điều này nên được làm đối với tất cả các quá trình lấy mẫu kể cả khí ướt và khí khô. Làm sạch, sấy khô và làm khô chân không ống lấy mẫu trước khi đưa tới mỏ. Điều này giúp cho tránh khỏi các chất lỏng có thể xâm nhập lẫn vào từ mẫu lấy trước đó. Làm sạch ống mẫu một cách cẩn thận. Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 52 Quy trình lấy mẫu dưới đây được Toole đề nghị: Các ống mẫu trống rỗng từ đầu đến cuối đuôi không có kim loại trên đầu vào đối với sự giãn nở của khí được nén ép tới điều kiện áp suất. Đối với các mẫu để xác định hiệu suất tỏa nhiệt và phân tích sắc phổ, sử dụng các ống mẫu bằng thép cacbon hay thép không rỉ sét như là DOT3A, DO3AA, thể tích chứa được là 300 cu.in. Các ống lấy mẫu nhỏ hơn có thể chỉ được sử dụng cho phân tích GC. Tuy nhiên, xác định nhiệt lượng Btu được cải tiến tạo ra sự chắc chắn cho phân tích sắc phổ. Btu được tính toán từ quá trình phân tích không vượt quá mức độ dao động +_ 3 Btu theo giá trị đo được. Giữ cho các ống mẫu thẳng đứng trong khi làm đầy nó, làm sạch đường ống ở phần đáy. Không đặt nằm ngang các ống mẫu xuống đất. Sử dụng cực dò ống mà nó có thể ít nhất vào sâu 1/3 trong ống mẫu. Điều này nhằm tránh sự tạo ngưng tự và nhiễm bẩn đường vào khi mẫu đi vào ống mẫu. Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 53 Nhóm nghiên cứu GPA (McCann và các cộng sự, năm 1988) trình bày công trình nghiên cứu về lấy mẫu hỗn hợp khí thiên nhiên cho phiên bản trong tương lai của tiêu chuẩn GPA 2174-83. Bốn phương pháp lấy mẫu sau đã được chấp nhận: Sự dịch chuyển của xylanh-piston (GPA, tiêu chuẩn 2174-83). Sự thay thế nước (sự dịch chuyển tổng cộng-80% hydrocacbon/20% phần trống bị chuyển dịch). Sự dịch chuyển nước (sự dịch chuyển từng phần-80% hydrocacbon/20% phần trống bị chuyển dịch/10% nước còn lại trong xi-lanh) Sự dịch chuyển Ethylene Glycol (sự dịch chuyển tổng cộng-80% hydrocacbon/20% phần trống bị chuyển dịch) Những cảnh báo sau được đưa ra đối với việc lấy mẫu dùng phương pháp di chuyển piston và xi-lanh (Toole, 1981) Áp suất tại đáy piston phải cao hơn áp suất của ống lúc bắt đầu hoạt động. Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 54 Xả dần áp suất để đưa mẫu vào và duy trì áp suất ở mỗi bên của piston ao cho gần bằng nhau và chỉ khác nhau một lượng nhỏ đủ để di chuyển piston. Không được xả hết áp suất khỏi đáy piston sau khi mẫu được đưa vào bởi như thế sẽ làm bay hơi một số chất lỏng chuyển sang thành khí. Như vậy sau đó phải thử mẫu lại. Không được hoàn toàn cho 100% mẫu làm đầy xi-lanh. Đặt 25% áp suất đệm để đề phòng sự dao động nhiệt độ xung quanh. Theo Toole (1981), sự di chuyển piston và xi-lanh cũng được sử dụng cho việc lấy mẫu khí ướt với kết quả rất tốt trong việc lấy mẫu đại diện. Gây áp lực lên đáy xi-lanh bằng dòng khí để làm đầy áp suất trong ống. Nối xi-lanh với nguồn (bắt buộc sử dụng dây dẫn hướng) và mở van tới xi- lanh. Làm đầy xi-lanh khi lấy mẫu chất lỏng. Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 55 Đặc biệt chú ý đến tính sạch sẽ và kiểm tra kỹ đối với xi-lanh chứa mẫu. Sau đây là một số phương pháp (Welker, 1985): Dùng dung môi dễ bay hơi và làm khô không khí. Rửa bằng hơi và làm khô không khí. Phương pháp chân không. Phương pháp chân không và làm đầy bằng 5 psig helium. Quy trình đúng là phải tuân thủ nghiêm ngặt từng chi tiết một. Như vậy qua chương này chúng ta đã biết được các thành phần có trong khí thiên nhiêm và một số đặc tính của chúng. Những thành phần này được tiến hành xác định trên việc tiến hành phân tích mẫu. Đòng thời ta biết rằng trong quá trình khai thác việc lấy mẫu vẫn thường xuyên tiếp tục. Vì vậy ở đây cũng cung cấp cho người đọc một số yêu cầu, cách thức tối thiểu trong việc lấy mẫu.