Chu trình công nghệ khai thác dầu khí trên đất liền và ngoài biển

1. Giới thiệu

Khai thác dầu khí là môn khoa học ứng dụng, thuộc nghành thượng nguồn trong ngành công nghiệp dầu khí, có trách nhiệm tịch thu dầu khímột cách bảo đảm an toàn với hiệu suất cao kinh tế tài chính tối đa từ các mỏ dầu khí .
Khai thác dầu khí có 02 phần : ( i ) hệ thống thiết bị khai thác ; và ( ii ) công nghệ tiên tiến vận dụng trên hệ thống thiết bị đó. Hiện nay, ngành Dầu khí Nước Ta đang khai thác dầu và khí từ các mỏ ở trên đất liền như mỏ khí Tiền Hải C từ năm 1981 ( sau này có thêm mỏ Đông Quan D và D14-STL ) và ở ngoài biển-thềm lục địa phía Nam hình thành các cụm khai thác như mỏ dầu Bạch Hổ – Rồng ; Rạng Đông ; Sư Tử Đen-Sư Tử Vàng ; mỏ khí Lan Tây-Lan Đỏ và nhiều mỏ khác với nhiều cụm hệ thống thiết bị khác nhau. Một mạng lưới hệ thống khai thác dầu khí cơ bản ( cả trên đất liền và ngoài biển ) gồm có : vỉa chứa, giếng khoan, đường ống thu gom, bình tách, máy bơm / máy nén, mạng lưới hệ thống lưu chứa, và đường ống xuất bán loại sản phẩm dầu thô và khí .

Giếng khai thác tiếp nhận dầu hoặc khí từ vỉa chứa sản phẩm thông qua phần mở vỉa, đồng thời là đường ống dẫn dầukhí cùng với nước (gọi chung là chất lưu) lên bề mặt đất cũng như cung cấp chức năng điều chỉnh sản lượng khai thác chất lưu của giếng. Đường ống thu gom có nhiệm vụ tập hợp dòng sản phẩm từ các giếng khai thác và dẫn tới bình tách để tách riêng nước, khí và dầu phục vụ cho xử lý đạt yêu cầu sản phẩm dầu khí thương mại. Máy bơm, máy nén được sử dụng để vận chuyển dầu và khí tới điểm tiếp nhận thông qua hệ thống đường ống xuất bán. Tính chất lưu biến của dầu và khí thay đổi theo nhiệt độ, áp suất trong suốt quá trình chảy từ vỉa vào giếng cũng như qua hàng loạt các thiết bị thu gom, xử lý.

Sơ đồ tổng thể và toàn diện mạng lưới hệ thống khai thác dầu khí

2. Vỉa và mỏ dầu khí

Một vỉa dầu khí thường là mộtlớp đất đá dưới lòng đất có độ rỗng và độ thấm, chứa dầu khí và được số lượng giới hạn bởi các lớp đá không thấmhoặc các đới nước. Như vậy, mỗi vỉa dầu khí được đặc trưng bởi một mạng lưới hệ thống áp suất riêng. Tập hợp của một hay nhiều vỉa dầu khí trong cùng một cấu trúc địa chất sẽ trở thành một mỏ dầu khí .
Trên cơ sở điều kiện kèm theo áp suất và nhiệt độ bắt đầu ( ngay sau khi được phát hiện ) trong biểu đồ biến hóa pha, các tích tụ hydrocacbon được phân loại thành các loại vỉa dầu, khí ngưng tụ hoặc khí khô. Một vỉa dầu có áp suất lớn hơn áp suất điểm bọt được gọi là dưới bão hòa chính bới nó hoàn toàn có thể đảm nhiệm thêm khí hòa tan trong điều kiện kèm theo nhiệt độ đơn cử. Vỉa dầu có có áp suất tại áp suất điểm bọtđược gọi là dầu đã bão hòa do không hề đảm nhiệm thêm khí hòa tan vào trong dầu ở điều kiện kèm theo nhiệt độ thích hợp. Dòng chảy một pha ( lỏng ) chiếm lợi thế trong vỉa dầu dưới bão hòa. Trong khi đó, dòng chảy 2 pha ( dầu và khí ) thường sống sót trong các vỉa dầu đã bão hòa .
Tùy thuộc vào tỷ số khí-dầu ( GOR ) hiện đang khai thác mà các giếng được khoan trong cùng một vỉa hoàn toàn có thể thuộc nhóm các giếng khai thác dầu, khí, khí ngưng tụ. Những giếng đang khai thác với GOR cao trên 100.000 scf / bbl ( bộ khối / thùng ) được coi là giếng khai thác khí ; những giếng có GOR nhỏ hơn 5000 scf / bbl thuộc nhóm giếng khai thác dầu ; Nếu có GOR trong khoảng chừng từ 5000 – 100.000 scf / bbl sẽ được coi là giếng khai thác khí ngưng tụ .
Trên cơ sở các điều kiện kèm theo về nguồn năng lượng nội tại và ngoại biên tương hỗ cho quy trình khai thác, các vỉa dầu hoàn toàn có thể được phân loại thành các loại : ( i ) vỉa có tương hỗ nguồn năng lượng nước biên ; ( ii ) vỉa có tương hỗ nguồn năng lượng mũ khí ; ( iii ) vỉa có tương hỗ nguồn năng lượng khí hòa tan ; và ( iv ) tích hợp của nhiều dạng nguồn năng lượng .

Vỉa chứa dầu khí và các dạng tương hỗ nguồn năng lượng
Trong trường hợp vỉa rộngvới tổng diện tích quy hoạnh rất lớn so với phần diện tích quy hoạnh chỉ chứa dầu, sẽ có một lượng lớn nước sống sót trong vỉa ở xung quanh và tiếp xúc trực tiếp với vùng chứa dầu. Thể tích nước kề áp lớn thường phân phối nguồn nguồn năng lượng đáng kể cho quy trình đẩy dầu về phía giếng khai thác. Trong quy trình khai thác, áp suất tại vùng dầu sẽ giảm xuống làm cho nước ở vùng kề áp dãn nở và vận động và di chuyển vào, góp thêm phần làm chậm quy trình giảm áp. Khi áp suất vỉa được duy trì luôn cao hơn áp suất điểm bọt, dòng chảy trong vỉachỉ có một pha lỏng nên làm tăng tối đa chỉ số khai thác của giếng. Cùng một điều kiện kèm theo sản lượng như nhau, vỉa dầu có tương hỗ nước kề áp đủ lớn sẽ có thời hạn khai thác dài hơn so với các dạng tương hỗ nguồn năng lượng khác. Vùng nước biên ở các cánh của thân dầu sẽ có hiệu suất cao tương hỗ nguồn năng lượng cũng như cải tổ thông số quét dầu tốt hơn vùng nước nằm dưới đáy thân dầu do hiện tượng kỳ lạ nón nước thuận tiện xảy ra so với các giếng khai thác gần vùng nước đáy. Khi có hiện tượng kỳ lạ nước xâm nhập vào giếng, không những sản lượng khai thác dầu sẽ giảm, mà còn làm tăng ngân sách giải quyết và xử lý nước trước khi thải ra môi trường tự nhiên .
Đối với vỉa có mũ khí đủ lớn, hoàn toàn có thể là nguyên sinh hoặc thứ sinh, khi khai thác dầu làm giảm áp suất vỉa, cả mũ khí sẽ dãn nở, khí chiếm phần thể tích lỗ rỗng để duy trì áp suất đồng thời đẩy quét dầu xuống phía dưới tới giếng khai thác. Áp suất vỉa giảm còn làm khí hòa tan trong dầu thoát ra, vận động và di chuyển lên vùng cao hơn của vỉa và góp thêm phần làm tăng thể tích mũ khí. Mặc dù nguồn năng lượng từ co và giãn của mũ khí góp thêm phần quan trọng trong khai thác thân dầu, nhưng một khi ranh giới khí-dầu vận động và di chuyển quá nhanh tới khoảng chừng bắn vỉa của các giếng khai thác, khí sẽ chiếm phần nhiều tỷ suất dòng chảy vào giếng làm giảm áp suất vỉa một cách nhanh gọn .
Các vỉa chứa dầu được bao quanh bởi các biên chắn không cho dòng thường được gọi là vỉa dầu thể tích, không có tương hỗ nguồn năng lượng từ bên ngoài mà chỉ có nguồn năng lượng nội tại trong vỉa tương hỗ cho khai thác dầu. So sánh với các dạng nguồn năng lượng bên ngoài như mũ khí hoặc nước biên thì vỉa dầu loại dãn nở của dầu và khí hòa tan sẽ có chính sách khai thác yếu nhất. Tại những vùng khai thác mà áp suất thấp hơn áp suất điểm bọt thì khí sẽ thoát ra khỏi dầu và tạo thành dòng 2 pha chảy vào giếng. Để cải tổ thông số tịch thu dầu so với các vỉa loại này, các giải pháp duy trì áp suất vỉa cần được điều tra và nghiên cứu vận dụng sớm .

3. Giếng khoan phát triển khai thác

Các giếng được khoan sâu vào lòng đất để tới vị trí các vỉa mẫu sản phẩm với các quy trình khoan có đường kính giảm dần. Sau khi hoàn thành xong mỗi quy trình khoan, giếng được chống ống với cấu trúc ống sau được lồng vào trong ống trước tới mặt đất hoặc hoàn toàn có thể là ống lửng. Mỗi cột ống chống đều được trám xi-măng lên tới mặt đất hoặc tối thiểu cũng phải cao hơn mức của lần trám cột ống trước đó .
Ống chống sau cuối trong giếng được gọi là ống chống khai thác, trong đó cột ống nâng được thả vào bên trong giếng và thường được cố định và thắt chặt với ống chống khai thác bằng nút neo. Dòng mẫu sản phẩm sẽ từ khoảng chừng bắn vỉa, chảy qua cột ống nâng để lên tới đầu giếng khai thác trên mặt đất .
Để tương hỗ năng lực khai thác cho giếng khi áp suất vỉa giảm, các van khí nén được lắp ráp dọc theo ống nâng ở những vị trí đã được đo lường và thống kê .
Các giếng khai thác được khoan thẳng đứng hoặc nghiêng khuynh hướng tới vỉa loại sản phẩm. Tùy thuộc vào đặc tính vỉa mà khoảng chừng khai thác trong giếng khoan được phong cách thiết kế theo kiểu ( i ) thân trần ; ( ii ) ống đục lỗ, màng lọc, đệm sỏi lọc cát ; hoặc ( iii ) thường thì nhất là chống ống, trám xi-măng và bắn đạn xuyên vào vỉa ;
Đầu giếng là phần thiết bị mặt phẳng được lắp ráp ngay bên dưới van chủ yếu, và là nơi cố định và thắt chặt đầu của các ống chống và đầu ống nâng. Tùy thuộc vào chương trình chống ống khi khoan giếng, một vài đầu cột ống chống được lắp ráp ngay sau khi trám xi-măng. Đầu ống chống được cấu tạo hình côn bên trong để bảo vệ năng lực treo cả cột ống chống đó .
Đầu giếng là phần thiết bị mặt phẳng được lắp ráp ngay bên dưới van chính, là nơi cố định và thắt chặt đầu của các ống chống và đầu ống nâng. Tùy thuộc vào chương trình chống ống khi khoan giếng, một vài đầu cột ống chống được lắp ráp ngay sau khi trám xi-măng. Đầu ống chống được cấu tạo hình côn bên trong để giữ nêm treo cả cột ống chống. Đối với cột ống chống khai thác, đầu ống còn được ren và bắt chặt vào nêm nhằm mục đích tạo ma sát. Tất cả các đầu ống chống đều được lắp áp kế hiển thị áp suất trong khoảng chừng không vành xuyến giữa các cột ống. Toàn bộ cụm thiết bị đầu giếng đều được đặt lên cột ống chống dẫn hướng, do vậy cột ống này luôn chịu nén và thường được trám xi-măng tới mặt phẳng. Cột ống nâng được thả bên trong cột ống chống khai thác với một được treo ngay trên đầu cột ống chống khai thác, đầu còn lại được cố định và thắt chặt bởi packer ở phía đáy giếng .
Cụm thiết bị khai thác được lắp ráp ngay bên trên thiết bị đầu giếng được gọi là cây thông và được sử dụng để trấn áp dòng chảy mẫu sản phẩm của giếng. Cây thông được liên kết với đầu cột ống nâng trải qua một thiết bị nhỏ đặc biệt quan trọng. Van chính được lắp ngay bên dưới đường ống dẫn mẫu sản phẩm. Ngoài ra, cây thông còn được trang bị các van nhánh, van đỉnh để thuận tiện kiểm soát và điều chỉnh dòng hoặc đóng giếng khi thiết yếu. Một áp kế thường được lắp trên đỉnh của cây thông để báo áp suất bên trong cột ống nâng. Các áp kế khác được lắp ráp cùng với các van nhánh để trấn áp dòng chảy chất lưu .

Sơ đồ đầu giếng khoan cùng với cây thông khai thác

Trong tổng thể các giếng đang hoạt động giải trí, lưu lượng chất lưu được điểu chỉnh bởi các van điều dòng ( choke ) lắp tại mỗi nhánh khai thác. Van điều dòng tạo đối áp cho hàng loạt thiết bị lòng giếng cũng như điều chỉnhgiảm áp đáy giếng tránh làm hỏng vỉa. Với giếng khai thác khí, van điều dòng còn có tính năng làm giảm ngưng tụ khíhoặc thành tạo hydrat khí trong ống nâng. Vận hành cụm thiết bị đầu giếng khai thác cần có quy định đóng và mở đơn cử. Trước khi mở van điều tiết phải thực thi kiểm tra hàng loạt thiết bị khai thác trên mặt phẳng, đặc biệt quan trọng là van an toàn, các đầu nối, thiết bị trao đổi nhiệt, nhằm mục đích bảo vệ dòng chất lưu chảy thông suốt qua mạng lưới hệ thống thu gom giải quyết và xử lý. Ngoài ra, các thùng chứa / bể chứa cũng cần phải sẵn sàng chuẩn bị và bảo vệ đủ cho lần mở giếng .

4. Bình tách

Dòng chất lưu từ giếng khai thác thường là hỗn hợp rất phức tạp với hàng trăm thành phần hydrocacbon khác nhau. Dòng chảy dầu khí là dòng đa pha ( lỏng khí ) luôn có lưu lượng lớn, chảy rối, dãn nở mạnh, đôi lúc có tham gia của hơi nước, nước và lẫn cả cát. Trong thực tiễn có 3 loại bình tách được phân loại thành : bình tách đứng ; bình tách ngang ; và bình tách hình cầu. Trong đó bình tách ngang còn được phân thành 2 loại : bình tách ngang thân đơn và bình tách ngang thân kép. Mỗi loại đều có những ưu điểm yếu kém và khoanh vùng phạm vi sử dụng nhất định tùy thuộc đa phần vào đặc tính dòng chất lưu sẽ được tách, khoảng chừng khoảng trống lắp ráp và đặc biệt quan trọng là giá tiền. Các bình tách ngang được lựa chọn nhiều nhất bởi giá tiền thấp và tương thích với nhiều loại dầu như tỷ số khí-dầu cao ; có bọt ; hoặc hàm lượng nước lớn, do khi tách dầu loại này cần mặt thoáng khí – lỏng rộnghoặc cần có vách ngăn. Ngoài ra bình tách ngang còn thuận tiện lắp ráp, hoàn toàn có thể thực thi xếp chồng để tạo thành mạng lưới hệ thống các cấp tách, cần dùng ít đường ống liên kết với các thiết bị khác, đồng thời ngân sách quản lý và vận hành thấp .

Sơ đồ nguyên tắc bình tách 3 pha nằm ngang
Trong bình tách ngang, chất lưu có thời hạn dài hơn khi hoạt động qua các tấm và vách ngăn song song với trục của bình, nơi chất lỏng tạo thành giọt và rơi xuống vùng chất lỏng bên dưới. Tuy nhiên, mực chất lỏng bên dưới luôn phải được điểu chỉnh cho tương thích, tránh làm giảm hiệu suất tách pha lỏng hoặc làm cho dầu bị cuốn theo dòng chảy của khí .
Bình tách đứng thường được lựa chọn so với dầu có chỉ số GOR thấp hoặc trung bình, cũng hoàn toàn có thể tương thích so với dòng chất lưu có dạng nút chất lỏng kích cỡ lớn do dầu đã tách ra sẽ không bị cuốn theo dòng khí. Bình tách đứng có lợi thế diện tích quy hoạnh chiếm chỗ nhỏ, lựa chọn tối ưu so với các giàn khai thác ngoài khơi. Tuy nhiên, do dòng chảy tự nhiên của pha khí có xu thế bay lên trên nên làm giảm hiệu suất cao tách hơi và pha lỏng khi đường kính của bình tách không đủ lớn. Ngoài ra, bình tách đứng có giá tiền cao, cồng kềnh khi sản xuất đồng nhất và luân chuyển khó khăn vất vả .
Bình tách hình cầu có giá tiền thấp đồng thời gọn nhẹ. Tuy nhiên do có cấu trúc thu gọn nên các bình kiểu này bị số lượng giới hạn khoảng chừng khoảng trống để tách chất lỏng. Ngoài ra, thiết lập và kiểm soát và điều chỉnh mực chất lỏng trong bình loại này sẽ gặp nhiều khó khăn vất vả .

5. Vận chuyển dầu khí

Saukhi được giải quyết và xử lý tách dầu khí và nước, loại sản phẩm thương mại sẽ được luân chuyển tới tàng trữ hoặc xuất bán bán. Các loại bơm dạng piston hoặc máy nén khí được sử dụng tương ứng cho dầu và khí để cung ứng nguồn năng lượng cơ học thiết yếu để đẩy dầu và khí qua đường ống .
Bơm piston có 2 dạng dựa theo phương pháp hoạt động giải trí : hành trình dài đơn và hành trình dài kép. Trong đó bơm hành trình dài kép thường sử dụng 2 piston, bơm hành trình dài đơn sử dụng với số lượng piston nhiều hơn nhằm mục đích tạo ra dòng dầu tương đối liên tục trong ống luân chuyển .
Máy nén được sử dụng để cung ứng khí với áp lực đè nén cao cho luân chuyển bằng đường ống hoặc cho khí nâng. Có 2 dạng máy nén được sử dụng trong luân chuyển khí : máy nén dạng piston và máy nén dạng ly tâm. Máy nén dạng piston có hiệu suất thấp do có quá nhiều chi tiết cụ thể hoạt động trong quy trình quản lý và vận hành. Với mỗi tổng hợp xilanh, máy nén piston gồm có : một piston, xilanh, đầu xi lanh, van nạp, van xả, và các thành phần khác có trách nhiệm chuyển truyền động quay sang hành trình dài. Máy nén dạng piston được phong cách thiết kế với khoảng chừng thông số nén nhất định trải qua khoảng chừng chạy piston và thể tích thao tác mỗi xilanh. Thông thường, máy nén piston hoàn toàn có thể phân phối khí với lưu lượng 30.000 bộ khối mỗi phút ở áp suất nén lên tới 10.000 psi. Máy nén ly tâm có hiệu suất cao hơn do chỉ có 2 bộ phận hoạt động trong quy trình thao tác là các cánh và trục quay. Ngoài ra ngân sách quản lý và vận hành thấp, tiêu tốn ít dầu bôi trơn và cũng không cần dùng nước làm mát do tỷ số nén thấp nên ma sát nhỏ. Máy nén ly tâm sử dụng lực ly tâm để nén khí và đẩy vào ống khuếch tán và làm giảm vận tốc, đồng thời chuyển nguồn năng lượng động thành áp suất tĩnh. Không giống như máy nén piston, máy nén ly tâm cấp dòng liên tục ở đầu ra với lưu lượng lớn, áp suất thấp nên cần phải sắp xếp tiếp nối đuôi nhau nhau. Khi đó, mỗi máy nén ly tâm sẽ nâng áp suất tới một cấp nhất định, thường chỉ là 100 psi cho mỗi cấp với lưu lượng 100.000 bộ khối / phút .
Đường ống dẫn dầu, khí hoặc các mẫu sản phẩm của công nghiệp dầu khí có tầm quan trọng đặc biệt quan trọng trong khai thác dầu khí từ thu gom cho tới phân phối. So với các phương tiện đi lại luân chuyển như tầu biển, xe tải, đường ống có lợi thế đặc biệt quan trọng do luân chuyển không thay đổi, liên tục với khối lượng lớn đi quãng đường xa với giá tiền thấp. Vận chuyển dầu khí bằng đường ống có tính linh động rất cao và có năng lực vượt qua những phức tạp của địa hình cũng như khắc nhiệt về thiên nhiên và môi trường xung quanh. Trong hệ thống thiết bị khai thác dầu khí ngoài biển, đường ống nội bộ mỏ có trách nhiệm liên kết các giàn đầu giếng với giàn hoặc tàu giải quyết và xử lý TT. Đường ống xuất bán sẽ dẫn dầu tới tầu chứa và dẫn khí về bờ và tới hộ tiêu thụ .

Sơ đồ đường ống trong mạng lưới hệ thống khai thác dầu ngoài khơi

Giàn cố định và thắt chặt khoan và khai thác trên mỏ Bạch Hổ
Các đường ống được phong cách thiết kế với size tương thích với áp suất và lưu lượng của chất lưu luân chuyển. Các dự án Bất Động Sản khai thác dầu khí thường có những lựa chọn kích cỡ ống cũng như vật tư khác nhau đáng kể. Để bảo vệ chịu được áp suất, độ dày thành ống được lựa chọn trong khoảng chừng từ 0,95 cm cho tới 3,8 cm .

6. Hệ thống an toàn và điều khiển

Mục đích của bảo đảm an toàn mạng lưới hệ thống là bảo vệ con người, môi trường tự nhiên và thiết bị khai thác dầu khí. Do vậy trách nhiệm chính là phải bảo vệ hydrocacbon không bị rò rỉ và dữ thế chủ động hạn chế những ảnh hưởng tác động nếu xảy ra rò rỉ. Thiết bị bảo đảm an toàn và tinh chỉnh và điều khiển được trang bị khắp hệ thống thiết bị khai thác dầu khí, từ lòng giếng cho đến các đoạn của đường ống luân chuyển .
Van được sử dụng nhiều nhất trong mạng lưới hệ thống với mục tiêu điều khiển và tinh chỉnh áp suất, mực chất lỏng, nhiệt độ và lưu lượng dòng chảy. Trong công nghiệp dầu khí, van tự động hóa được sử dụng nhiều nhất và thường được phối hợp với các thiết bị cảm ứng. Từ các hoạt động giải trí mưu trí của van, các thiết bị giải quyết và xử lý dầu khí cũng được điều khiển và tinh chỉnh tự động hóa giúp cho quy trình được diễn ra thông suốt và bảo đảm an toàn .

Tài liệu đọc thêm

1. Introduction to Oil and Gas Production, Fifth edition. Americal Petroleum Institute publication, 1996.
2. Ken Arnod, Maurice Stewart, 2008. Surface Production Operations _ Design of oil handling system and facilities – Third edition. Elsevier
3. H. Devold, 2006. Oil and Gas Production Handbook. ABB ATPA Oil and Gas.
4. Howard B. Bradley, 1992. Petroleum Engineering Handbook, Third printing. SPE

TS. Nguyễn Hải An

Source: https://vh2.com.vn
Category : Startup