Máy tách sản xuất dầu là gì: Giai đoạn, thiết kế và xử lý thô

Thiết bị tách dầu khí: Các giai đoạn, thiết kế và xử lý dầu thô

Trả lời câu hỏi cốt lõi: Thiết bị tách dầu khí là gì? Thiết bị tách dầu khí là một bình áp lực dùng để tách dòng giếng khoan đến từ giếng hoặc hệ thống thu gom thành khí, dầu thô và nước sản xuất, và đây là thiết bị sản xuất bề mặt đầu tiên và quan trọng nhất. Hầu hết các nhà máy sử dụng sơ đồ áp suất theo giai đoạn thay vì một bình duy nhất: một thiết bị tách áp suất cao ở 50-150 bar, một giai đoạn áp suất trung bình ở 15-50 bar và một giai đoạn áp suất thấp ở 2-15 bar, vì quá trình bay hơi theo giai đoạn thu hồi được nhiều chất lỏng hơn, cho ra dầu ổn định hơn với áp suất hơi Reid thấp hơn và cho phép mỗi giai đoạn được định cỡ cho tốc độ khí và lỏng riêng của nó. Bản thân quá trình tách không làm cho dầu có thể bán được, vì vậy thiết bị tách thường được theo sau bởi thiết bị tách nước tự do, thiết bị gia nhiệt và thiết bị khử muối tĩnh điện để đạt được thông số kỹ thuật bán hàng thông thường là cặn cơ bản và nước dưới 0,5% và muối dưới 10 pound trên nghìn thùng.

1. Dây chuyền tách sản phẩm

Quá trình tách diễn ra theo ba giai đoạn áp suất và sau đó được hoàn thành bằng quá trình xử lý, và mỗi bước có một nhiệm vụ cụ thể:

• Tách sơ cấp áp suất cao: Bình đầu tiên nhận dòng giếng khoan ở áp suất thực tế cao nhất, thường là 50-150 bar, và tách phần lớn khí. Hoạt động ở áp suất cao là có chủ đích: khí tách ở áp suất cao yêu cầu nén ít hơn nhiều để đạt được áp suất xuất khẩu hoặc áp suất nâng khí, và dầu giữ lại nhiều thành phần nhẹ hơn cho đến giai đoạn sau, điều này cải thiện khả năng thu hồi chất lỏng tổng thể. Bình được định cỡ theo dung tích khí Souders-Brown và theo thời gian lưu giữ chất lỏng cần thiết để khí tách ra khỏi chất lỏng, thường là 3-10 phút. Vì bình này xử lý toàn bộ dòng giếng khoan bao gồm cả các đoạn chảy đột ngột và cát, nên nó được chế tạo chắc chắn nhất và được trang bị nhiều thiết bị đo đạc nhất, với bộ ngắt mức cao-cao, thiết bị xả áp được định cỡ cho trường hợp đầu ra bị chặn và hệ thống phun cát.
• Các giai đoạn áp suất trung bình và thấp: Dầu rời khỏi thiết bị tách áp suất cao vẫn chứa khí hòa tan, khí này sẽ bay hơi khi áp suất giảm. Dẫn dầu qua một hoặc hai giai đoạn tiếp theo ở 15-50 bar và sau đó là 2-15 bar sẽ thu hồi khí đó, khí này được nén để xuất khẩu hoặc sử dụng để nâng khí hoặc làm nhiên liệu, và ổn định dầu. Lợi ích thực tế được đo bằng áp suất hơi Reid của dầu thô bán ra, thường phải dưới 8-12 psi để lưu trữ và vận chuyển an toàn; quá trình bay hơi đến giai đoạn áp suất thấp, hoặc đến một cột ổn định chuyên dụng, là cách đáp ứng giới hạn đó. Mỗi giai đoạn tạo ra một lượng khí ngày càng nhỏ và một chất lỏng ngày càng ổn định, và khí từ giai đoạn áp suất thấp, giàu các thành phần nặng hơn, đôi khi được nén lại và tái chế thay vì gửi đi xuất khẩu.
• Thiết bị tách nước tự do và tách nước thô: Khi tỷ lệ nước cao, như trong một mỏ trưởng thành, việc loại bỏ nước tự do trước thiết bị xử lý sẽ rẻ hơn nhiều so với việc xử lý toàn bộ dòng chảy. Thiết bị tách nước tự do là một bình ngang lớn, về cơ bản là một thiết bị tách ba pha được tối ưu hóa để loại bỏ nước, với thời gian lưu dài 10-30 phút và bộ điều khiển mức giao diện rút nước đã tách bằng trọng lực. Nó loại bỏ phần lớn nước sẽ tiêu thụ nhiệt trong thiết bị gia nhiệt và làm loãng nước rửa trong thiết bị khử muối. Đây cũng là nơi hầu hết cát lắng xuống, vì vậy nó được trang bị hệ thống phun cát hoặc, trong trường hợp khắc nghiệt, hệ thống loại bỏ cát sử dụng bộ tách xoáy hoặc bố trí giường sôi.
• Xử lý: Thiết bị gia nhiệt và thiết bị khử muối tĩnh điện: Trọng lực đơn thuần sẽ không phá vỡ nhũ tương nước trong dầu chặt chẽ hình thành qua các van tiết lưu và van, vì vậy việc loại bỏ nước và muối cuối cùng cần nhiệt, hóa chất và trường điện. Thiết bị gia nhiệt làm nóng nhũ tương đến 60-90°C bằng ống lửa hoặc cuộn dây truyền nhiệt, làm giảm độ nhớt của dầu, làm suy yếu màng giao diện và tăng chênh lệch mật độ, với chất phá nhũ tương được tiêm với liều lượng 5-50 ppm để hoàn thành quá trình phá vỡ. Sau đó, thiết bị khử muối tĩnh điện trộn 3-10% nước rửa sạch vào dầu và áp dụng trường điện áp cao 15-25 kV ở 120-150°C, làm phân cực các giọt nước, kéo căng và phá vỡ màng giao diện, và làm cho chúng kết tụ thành các giọt đủ lớn để lắng xuống. Quá trình khử muối hai giai đoạn là tiêu chuẩn khi thông số kỹ thuật yêu cầu muối dưới 10 PTB.

2. Định cỡ, vận hành và các vấn đề thường gặp

Ba yếu tố quyết định xem thiết bị tách có hoạt động hiệu quả trong suốt vòng đời của mỏ hay không:

• Định cỡ theo hồ sơ sản xuất: Thiết bị tách dầu phải hoạt động khi khởi động, ở giai đoạn ổn định và khi suy giảm, và các ràng buộc thay đổi hoàn toàn trong suốt vòng đời đó. Ban đầu, tốc độ khí cao nhất, vì vậy dung tích khí Souders-Brown chi phối đường kính bình. Khi suy giảm, tốc độ khí giảm nhưng tỷ lệ nước tăng mạnh, đôi khi từ 5% lên 90%, vì vậy bình trở nên giới hạn xử lý nước và thời gian lưu dầu, là yếu tố quyết định lượng nước tách ra khỏi dầu, trở thành ràng buộc. Nếu thời gian lưu nước quá ngắn, nước sẽ cuốn theo dầu và làm quá tải thiết bị xử lý. Đây là lý do tại sao các nhà thiết kế kiểm tra ba trường hợp, ban đầu, ổn định và cuối đời, và tại sao trường hợp nước cuối đời thường quyết định kích thước bình thay vì trường hợp khí ban đầu.
• Kiểm soát nhũ tương, bọt và hóa chất: Nhũ tương dầu thô được ổn định bởi asphalten, nhựa, axit hữu cơ và các hạt rắn mịn tập trung tại giao diện nước-dầu, tạo thành một màng ngăn cản sự kết tụ. Nhũ tương trở nên chặt chẽ hơn khi trọng lực API giảm và khi mỏ già đi, và dầu nặng dưới khoảng 20 API có thể tạo thành nhũ tương mà không có thời gian lưu nào có thể phá vỡ. Các công cụ là nhiệt, làm giảm độ nhớt và làm mất ổn định màng, thời gian lưu, chất phá nhũ tương hóa học được lựa chọn bằng thử nghiệm chai trên dầu thô thực tế, và trường điện trong thiết bị khử muối. Bọt là một vấn đề khác, thường do khí tách ra khỏi dầu nhớt; nó được quản lý bằng cách tiêm chất chống tạo bọt, bằng thiết bị đầu vào tách khí kịp thời và bằng cách tránh mức làm cho lớp bọt quá gần lối ra khí.
• Quản lý mức, giao diện và cát: Kiểm soát mức giao diện là vấn đề kiểm soát khó khăn nhất trong tách sản phẩm. Giao diện giữa dầu và nước thường là một dải nhũ tương và chất rắn dày đặc thay vì một đường phân cách rõ ràng, và bộ điều khiển phải giữ nó giữa máng dầu và đầu ra nước để không pha nào thoát ra qua vòi sai. Các đầu dò điện dung hoặc điện dẫn, hoặc bộ dò giao diện hạt nhân trong trường hợp khắc nghiệt, được sử dụng thay vì chênh lệch áp suất đơn giản, vì chênh lệch mật độ giữa hai chất lỏng là nhỏ và thiết bị chênh lệch áp suất cho tín hiệu kém. Cát tích tụ bên dưới nước và phải được loại bỏ bằng cách phun trước khi nó lấp đầy bình và làm giảm thời gian lưu; sản xuất cát cũng là nguyên nhân hàng đầu gây ăn mòn tại van xả và tại van tiết lưu phía hạ lưu.
• Vật liệu, tiêu chuẩn và tính toàn vẹn: Thiết bị tách sản phẩm được chế tạo theo ASME VIII Phân khu 1 với dấu U, hoặc theo PED 2014/68/EU với chứng nhận CE cho dịch vụ châu Âu, bằng thép carbon như SA-516 Cấp 70 với dung sai ăn mòn 3-6 mm. Khi có hydro sulfua, như trong các mỏ chua, NACE MR0175 / ISO 15156 quy định độ cứng vật liệu và yêu cầu xử lý nhiệt sau hàn, và trong dịch vụ chua ẩm, thép chống HIC được chỉ định. Khi có carbon dioxide với nước, các chất ức chế ăn mòn được tiêm ở thượng nguồn và bình được giám sát bằng các mẫu ăn mòn, đầu dò điện trở và các cuộc khảo sát độ dày siêu âm định kỳ. Các bộ phận bên trong được thiết kế để có thể tháo rời qua cửa người chui, và chương trình kiểm tra dựa trên rủi ro theo API 580, với khoảng thời gian được rút ngắn khi cát, dịch vụ chua hoặc tỷ lệ nước cao làm tăng tốc độ suy thoái.

Bảng so sánh các giai đoạn tách dầu khí

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

H: Sự khác biệt giữa thiết bị tách hai pha và ba pha là gì?

A: Thiết bị tách hai pha chỉ tách dòng giếng khoan thành khí và chất lỏng, và được sử dụng khi tỷ lệ nước không đáng kể, khi nước được sản xuất dưới dạng một dòng riêng biệt, hoặc khi chất lỏng đi đến thiết bị tách nước tự do hạ nguồn thực hiện tách dầu-nước. Thiết bị tách ba pha tách khí, dầu và nước trong một bình, sử dụng máng để giữ lớp dầu và bộ điều khiển mức giao diện để rút nước, và đây là lựa chọn tiêu chuẩn khi dòng giếng khoan chứa nhiều nước tự do. Sự khác biệt thực tế là bình ba pha phải đáp ứng hai tiêu chí định cỡ độc lập: dung tích khí theo phương trình Souders-Brown và thời gian lưu chất lỏng cần thiết để các giọt nước lắng ra khỏi dầu, thường là 5-30 phút tùy thuộc vào trọng lực API và độ chặt của nhũ tương. Tiêu chí thứ hai đó thường làm cho bình ba pha lớn hơn đáng kể.

H: Tại sao thiết bị tách sản phẩm lại hoạt động theo giai đoạn?

A: Vì ba lý do. Nén khí: khí tách ở 100 bar yêu cầu nén ít hơn nhiều để đạt áp suất xuất khẩu so với khí tách ở 10 bar, vì vậy việc tách ở áp suất thực tế cao nhất giúp tiết kiệm rất nhiều năng lượng nén và vốn đầu tư. Thu hồi chất lỏng: quá trình bay hơi dầu theo giai đoạn, thay vì một bước duy nhất, cho phép thu hồi nhiều hydrocarbon trung gian hơn dưới dạng chất lỏng thay vì bị mất cùng với khí, điều này trực tiếp làm tăng khối lượng dầu bán được. Và ổn định: quá trình bay hơi theo giai đoạn làm giảm áp suất hơi Reid của dầu thô bán ra xuống dưới giới hạn 8-12 psi cần thiết để lưu trữ và vận chuyển an toàn. Một thiết bị tách duy nhất hoạt động ở áp suất thấp sẽ tạo ra nhiều khí hơn, nhiều khí ở áp suất thấp hơn, ít chất lỏng hơn và dầu thô có áp suất hơi quá cao để vận chuyển an toàn.

H: Tại sao dầu thô lại tạo thành nhũ tương không tách được?

A: Bởi vì các thành phần hoạt động bề mặt trong dầu thô tập trung tại giao diện nước-dầu và tạo thành một màng cơ học bền vững ngăn cản các giọt kết tụ. Asphalten, nhựa, axit naphthenic, tinh thể sáp và các hạt rắn mịn như đất sét, cặn và sản phẩm ăn mòn đều hấp phụ tại giao diện, và màng hình thành có thể đủ bền để các giọt có kích thước vài micromet lơ lửng gần như vô thời hạn. Vấn đề trở nên tồi tệ hơn khi trọng lực API giảm, vì dầu nặng chứa nhiều asphalten và nhựa hơn và có chênh lệch mật độ nhỏ hơn để thúc đẩy quá trình lắng, và nó trở nên tồi tệ hơn theo thời gian khi mỏ sản xuất nhiều nước và nhiều chất rắn hơn. Việc phá vỡ nhũ tương đòi hỏi phải tấn công màng đó: nhiệt để giảm độ nhớt và làm mất ổn định nó, chất phá nhũ tương để thay thế vật liệu hoạt động bề mặt, thời gian lưu, và, khi trọng lực không đủ, trường điện áp cao để phá vỡ nó.

H: Hiệu suất của thiết bị tách dầu khí được đo lường như thế nào?

A: Bốn phép đo. Cặn cơ bản và nước, hoặc BS&W, trong dầu rời khỏi thiết bị tách, được xác định bằng cách ly tâm mẫu pha loãng, với thông số kỹ thuật bán hàng thường dưới 0,5% và đầu ra của thiết bị tách thường được giữ dưới 1-2% để thiết bị xử lý có biên độ. Hàm lượng muối trong dầu, biểu thị bằng pound trên nghìn thùng, với thông số kỹ thuật dưới 10 PTB và được đo bằng phương pháp chiết và chuẩn độ; nó được kiểm soát bởi thiết bị khử muối chứ không phải bởi thiết bị tách. Chất lượng nước tại đầu ra nước, thường được báo cáo là dầu trong nước tính bằng miligam trên lít, ảnh hưởng đến việc nước sản xuất có thể được xả, tái bơm hoặc phải xử lý thêm hay không. Và khí cuốn theo, dầu trong khí rời khỏi bình, được báo cáo là cuốn theo, cho biết dung tích khí có bị vượt quá hay bộ tách sương mù đã hỏng.