Thiết kế công nghệ hệ thống thu gom và xử lý khí từ ngoài khơi Vịnh Bắc Bộ. Ứng dụng mô phỏng để tối ưu hóa phương án công nghệ thu gom và xử lý khí

- Nguyễn Anh Vũ Học viên: Lê Văn Dương Trang 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
- Nguyễn Anh Vũ Học viên: Lê Văn Dương Trang 2 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN.
- 92. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI.
- 94. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.
- 11TỔNG QUAN VỀ KHÍ TỰ NHIÊN.
- 111.1 KHÁI NIỆM VỀ KHÍ TỰ NHIÊN.
- 111.2 NGUỒN GỐC CỦA DẦU MỎ VÀ KHÍ TỰ NHIÊN.
- 121.3 THÀNH PHẦN CỦA KHÍ TỰ NHIÊN.
- 131.4 PHÂN LOẠI KHÍ TỰ NHIÊN.
- 141.5 MỘT SỐ TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA KHÍ TỰ NHIÊN.
- 222.2.2 Các phương án phát triển.
- 312.2.4 So sánh và đề xuất phương án phát triển khai thác.
- Nguyễn Anh Vũ Học viên: Lê Văn Dương Trang 3 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN KHÍ BẰNG PHẦN MỀM OLGA.
- 343.1 PHẠM VI VÀ MỤC ĐÍCH CỦA QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG.
- 343.1.1 Phạm vi thiết kế của hệ thống đường ống.
- 343.1.2 Mục đích của quá trình mô phỏng.
- 343.2 THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG.
- 353.2.1 Mô hình mô phỏng.
- 363.2.4 Công suất đường ống.
- 373.2.6 Thông số đường ống.
- 393.3 MÔ PHỎNG TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH.
- 393.3.1 Các trường hợp mô phỏng trạng thái ổn định.
- 393.3.2 Kết quả mô phỏng trạng thái ổn định.
- 453.3.4 Nhiệt độ.
- 473.3.5 Nghiên cứu khả năng tạo thành Hydrate trêm đường ống.
- 493.4 MÔ PHỎNG TRẠNG THÁI KHÔNG ỔN ĐỊNH.
- 493.4.1 Các trường hợp mô phỏng trạng thái không ổn định.
- 493.4.2 Kết quả mô phỏng trạng thái không ổn định.
- 503.4.3 Kết quả mô phỏng của quá trình phóng thoi như bảng sau.
- Nguyễn Anh Vũ Học viên: Lê Văn Dương Trang 5 KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU DIỄN GIẢI KCN / KCX Khu công nghiệp / Khu chế xuất GDS/GDC Trạm phân phối khí DO Dầu Diesel LPG Khí tự nhiên hóa lỏng LFS Trạm tiếp bờ WHP Giàn đầu giếng FPSO Tàu xử lý và tồn chứa dầu khí MOPU Hệ thống khai thác dầu khí di động Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: TS.
- Nguyễn Anh Vũ Học viên: Lê Văn Dương Trang 6 DANH MỤC BẢNG BIỂU Hình số Tên bảng biểu Trang 1.1 Một số tính chất hóa lí của khí hydrocacbon.
- 18 2.1 Tổng hợp sản lượng khai thác theo phương án 1.
- 27 2.4 Tổng hợp sản lượng khai thác theo phương án 2.
- 30 2.6 Bảng thông số cụm thiết bị trên bờ phải làm mới 31 2.7 Khái toán chi phí đầu tư đường ống thu gom khí từ mỏ Hàm Rồng 32 2.8 So sánh các phương án phát triển mỏ 33 3.1 Thông số đầu vào cho mô phỏng 36 3.2 Thành phần khí sử dụng để mô phỏng đường ống TB-HR 36 3.3 Công suất thiết kế đường ống 37 3.4 Kích thước và chiều dày lớp bọc 38 3.5 Đặc tính vật liệu 38 3.6 Thông số môi trường 39 3.7 Đặc tính nước biển 39 3.8 Trường hợp mô phỏng trạng thái ổn định 40 3.9 Kết quả quá trình mô phỏng ổn định 42 3.10 Áp suất tại GDC để tránh hình thành hydrate tại LFP.
- 48 3.11 Kết quả quá trình mô phỏng nút chất lỏng 51 3.12 Bảng kết quả mô phỏng thời gian gia tăng sản lượng 52 3.13 Các trường hợp mô phỏng quá trình phóng thoi 59 3.14 Bảng kết quả mô phỏng quá trình phóng thoi 60 3.15 Các trường hợp mô phỏng quá trình đóng ngăt và khởi động 64 3.16 Kết quả các trường hợp mô phỏng quá trình đóng ngăt và khởi động 65 3.17 Các trường hợp mô phỏng quá trình xả tuyến ống 67 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: TS.
- Nguyễn Anh Vũ Học viên: Lê Văn Dương Trang 7 DANH MỤC HÌNH VẼ Bảng số Tên hình vẽ Trang 2.1 Sơ đồ hệ thống khai thác của mỏ Thái Bình 21 2.2 Sơ đồ vị trí lô dầu khi Mô hình phát triển mỏ theo phương án 1 24 2.4 Sơ đồ công nghệ hệ thống khai thác khí trên giàn Thái Bình 25 2.5 Bản vẽ đấu nối spool cho tương lai hiện hữu đường ống Thái Bình về bờ.
- 25 2.6 Sơ đồ hệ thống công nghệ trên tàu FPSO 28 2.7 Sơ đồ công nghệ FPSO xử lý H2S bằng Amine 29 2.8 Mô hình phát triển Phương án 2 30 3.1 Mô hình mô phỏng tuyến ống từ giàn Thái Bình về bờ 35 3.2 Hình 4.2: Mô hình mô phỏng tuyến ống từ giàn Hàm Rồng về giàn Thái Bình 35 3.3 Tổng quát cao độ tuyến ống từ giàn Thái Bình tới Trung tâm phân phối khí 37 3.4 Tổng quát cao độ tuyến ống từ tàu FPSO Hàm Rồng tới giàn Thái Bình 38 3.5 Tổng lượng chất lỏng ngưng tụ trong đường ống tại lưu lượng tương ứng 45 3.6 Tổn thất áp suất trên tuyến ống theo lưu lượng 46 3.7 Đường cong hình thành hydrate và đường hoạt đông (P&T) của đường ống 48 3.8 Đường cong hình thành hydrate và đường hoạt đông (P&T) của đường ống 49 3.9 Đường cong hình thành hydrate và đường hoạt đông (P&T) của đường ống 54 3.10 Áp suất tại TB-WHP và thể tích lỏng ngưng tụ khi lưu lượng xả là 15 m3/hr 54 3.11 Tổng lượng chất lỏng ngưng tụ trong đường ống trong quá trình gia tăng sản lượng 55 3.12 Áp suất tại TB-WHP và thể tích lỏng ngưng tụ khi lưu lượng xả là 15 m3/hr 55 3.13 Áp suất tại TB-WHP thể tích lỏng ngưng tụ khi lưu lượng xả là 30.25 m3/hr 56 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: TS.
- Nguyễn Anh Vũ Học viên: Lê Văn Dương Trang 8 3.14 Tổng lượng chất lỏng ngưng tụ trong đường ống trong quá trình gia tăng sản lượng 56 3.15 Áp suất tại TB-WHP và thể tích lỏng ngưng tụ tại lưu lượng xả 15 m3/hr 57 3.16 Áp suất tại TB-WHP và thể tích lỏng ngưng tụ khi lưu lượng xả là 68.2 m3/hr 57 3.17 Tổng lượng chất lỏng ngưng tụ trong đường ống trong quá trình gia tăng sản lượng 58 3.18 Áp suât và nhiệt độ trong đường ống trong quá trình gia tăng sản lượng 58 3.19 Qúa trình phóng thoi với 2mmscfd và thành phần TB Qúa trình phóng thoi với 5mmscfd và thành phần TB Qúa trình phóng thoi với 7mmscfd và thành phần TB Qúa trình phóng thoi với 10mmscfd và thành phần TB Qúa trình phóng thoi với 15mmscfd và thành phần TB Qúa trình phóng thoi với 20mmscfd và thành phần TB Áp suất tại TB_WHP trong lúc đóng ngắt giàn/ khởi động 66 3.26 Tổng lượng chất lỏng ngưng tụ trong đường ống trong lúc giàn đóng ngắt và khởi động lại 66 3.27 Lượng lỏng đến binh tách cao áp tại GDC trong lúc đóng ngắt/ khởi động lại 67 3.28 Đường cong hình thành Hydrate 68 3.29 Qúa trình giảm áp tại TB_WHP trong quá trình xả 69 3.30 Nhiệt độ sau RO trong quá trình xả 69 3.31 Lưu lượng xả 70 3.32 Qúa trình giảm áp tại TB_WHP trong quá trình xả 70 3.33 Nhiệt độ sau RO trong quá trình xả 71 3.34 Lưu lượng xả 71 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: TS.
- Nguyễn Anh Vũ Học viên: Lê Văn Dương Trang 9 MỞ ĐẦU 1.
- TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Ngày tại giếng khoan số 61 tại xã Đông Cơ, huyện Tiền Hải, tỉnh Thái Bình, đã phát hiện nguồn khí tự nhiên trong trầm tích Mioxen, hệ tầng Tiên Hưng ở chiểu sâu 1146-1156 mét với lưu lượng trên 100 nghìn m³/ngày đêm.
- ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu phương án khai thác và thu gom khí bằng đường ống từ các mỏ khí ngoài khơi vịnh Bắc Bộ đưa vào bờ để cung cấp cho khách hàng sử dụng khí tại khu vực tỉnh Thái Bình.
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu thiết kế mở rộng hệ thống khai thác, thu gom và vận chuyển khí tự nhiên tại các mỏ trên Vịnh Bắc Bộ.
- MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Mục đích của đề tài là nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống công nghệ mở rộng và đường ống thu gom vận chuyển khí từ ngoài khơi Vịnh Bắc Bộ vào bờ.
- Trên cơ sở số liệu phát triển mỏ của dự án cụ thể, sử dụng phần mềm HYSYS 7.3, OLGA 7.0 và sổ tay hướng dẫn thiết kế để phân tích, tính toán mô phỏng lựa chọn kích thước đường ống, chế độ vận hành đường ống và thiết bị công nghệ phù hợp đối với một dự án xây dựng đường ống dẫn khí.
- Nguyễn Anh Vũ Học viên: Lê Văn Dương Trang 10 4.
- NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Với số liệu thu thập được, luận văn nghiên cứu, tổng hợp tài liệu liên quan đến quá trình triển khai Dự án khí từ đó áp dụng kiến thức chuyên môn để giải quyết nhiệm vụ cụ thể là “Thiết kế công nghệ hệ thống thu gom và xử lý khí từ ngoài khơi Vịnh Bắc Bộ.
- Ứng dụng mô phỏng để tối ưu hóa phương án công nghệ thu gom và xử lý khí.
- Để giải quyết các vấn đề trên, đề tài sẽ nghiên cứu các nội dung cơ bản sau: i) Phân tích đặc trưng khí tự nhiên tại mỏ và các ứng dụng của nó.
- iii) Nghiên cứu phương án phát triển mỏ và đề xuất phương án khái thác iv) Mô phỏng tính toán kích thước ống và chế độ vận hành bằng phần mềm HYSYS 7.3 và OLGA 7.0 v) Nghiên cứu thiết kế công nghệ đường ống dẫn khí khí vi) Thiết lập các bản vẽ công nghệ (PFD).
- Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Các công trình đường ống ngoài biển và trên đất liền đều có cùng mục tiêu chung là: vận chuyển các sản phẩm (dầu, khí) từ các mỏ đến các hộ tiêu thụ đảm bảo an toàn, yêu cầu vận hành đồng bộ và hoạt động có hiệu quả.
- Đề tài tập trung nghiên cứu tổng hợp để có thể thiết lập và khái quát hóa được cơ sơ dữ liệu phục vụ cho quá trình thiết kế công nghệ của một dự án đường ống dẫn khí.
- Từ đó, xây dựng được phương pháp tiếp cận khoa học với các Dự án xây dựng đường ống dẫn khí, hệ thống hóa được các tiêu chuẩn phục vụ cho thiết kế và hướng sử dụng phần mềm để mô phỏng các tính toán công nghệ của một dự án cụ thể.
- Nguyễn Anh Vũ Học viên: Lê Văn Dương Trang 11 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHÍ TỰ NHIÊN 1.1 KHÁI NIỆM VỀ KHÍ TỰ NHIÊN Khí tự nhiên, hỗn hợp chất khí cháy được, bao gồm phần lớn là các hydrocarbon (hợp chất hóa học chứa cacbon và hyđrô).
- Cùng với than đá, dầu mỏ và các khí khác, khí tự nhiên là nhiên liệu hóa thạch.
- Khí tự nhiên có thể chứa đến 85% mêtan (CH4) và khoảng 10% êtan (C2H6), và cũng có chứa số lượng nhỏ hơn propan (C3H8), butan (C4H10), pentan (C5H12), và các alkan khác.
- Khí tự nhiên thường được tìm thấy cùng với các mỏ dầu ở trong vỏ Trái Đất, được khai thác và chế biến (xử lý) thành nhiên liệu cung cấp cho khoảng 25% nhu cầu năng lượng thế giới.
- Khí tự nhiên chứa lượng nhỏ các tạp chất, bao gồm điôxít cacbon (CO2), hyđrô sulfit (H2 S), và nitơ (N2).
- Do các tạp chất này có thể làm giảm nhiệt trị và đặc tính của khí tự nhiên, chúng thường được tách ra khỏi khí tự nhiên trong quá trình chế biến khí và được sử dụng làm sản phẩm phụ.
- Thành phần định tính, định lượng của khí tự nhiên khác nhau ở các mỏ khác nhau, có thể khác nhau đáng kể ở các tầng trong cùng một mỏ.
- Giữa khí tự nhiên và khí đồng hành không có sự khác biệt lớn về thành phần định tính, nhưng về mặt định lượng thì khí đồng hành nghèo CH4, hơn và giàu C4+ hơn so với khí tự nhiên.
- Khí tự nhiên có thể chia thành các loại sau.
- Khí không đồng hành: là khí nằm trong các mỏ khí tự nhiên.
- Khí đồng hành: là khí nằm trong các mỏ dầu và được tách ra trong quá trình khai thác dầu.
- Cũng như dầu mỏ, khí tự nhiên là nguồn nguyên liệu, nhiên liệu vô cùng quý giá, gần như không tái sinh, đóng vai trò cực kì quan trọng, nếu không nói là quyết định trong hoạt động kinh tế, sản suất và trong đời sống của con người trong thời đại văn minh hiện nay.
- Nguyễn Anh Vũ Học viên: Lê Văn Dương Trang 12 1.2 NGUỒN GỐC CỦA DẦU MỎ VÀ KHÍ TỰ NHIÊN Nguồn gốc của dầu khí được xác định từ xác thực vật, động vật, mà chủ yếu là các loại tảo phù du sống trong biển đã lắng đọng, tích tụ cùng với các lớp đất đá trầm tích vô cơ xuống đáy biển từ hàng triệu năm về trước đã biến thành dầu mỏ, sau đó thành khí tự nhiên.
- Có thể quá trình lâu dài đó xảy ra theo ba giai đoạn: biến đổi sinh học bởi vi khuẩn, biến đổi hoá học dưới tác dụng của các điều kiện địa hoá thích hợp và sự di chuyển tích tụ các sản phẩm trong vỏ trái đất.
- Giai đoạn biến đổi sinh học: Xác động thực vật bị phân huỷ bởi các vi khuẩn ưa khí, sau đó bởi các vi khuẩn kị khí trong quá trình trầm lắng dần trong nước biển.
- Không gian xẩy ra quá trình phân huỷ sinh học đó gọi là vùng vi khuẩn.
- Giai đoạn biến đổi hoá học: Ở giai đoạn hoá học tiếp theo, vật liệu hữu cơ còn lại, chủ yếu là các chất lipid, nhựa, sáp, terpen, axit béo, axit humic tham gia các phản ứng hoá học dưới tác dụng xúc tác của các chất vô cơ trong đất đá ở điều kiện áp suất lớn hàng trăm, thậm chí hàng nghìn atmotphe, ở một vài trăm độ bách phân.
- Quá trình biến đổi hoá học xảy ra vô cùng chậm.
- Đồng thời với việc xảy ra các phản ứng cracking phân huỷ đó là quá trình ngưng tụ, kết hợp một số chất hữu cơ tương đối đơn giản vừa tạo thành để tạo ra các chất hữu cơ phức tạp hơn, các chất nhựa, asphalten.
- Các chất nhựa asphalten tan kém, nặng hơn, nên phần lớn bị kết tủa, sa lắng, phần ít còn lại lơ lửng, phân tán trong khối chất lỏng hydrocacbon sinh ra bởi quá trình cracking.
- Tập hợp các phản ứng địa hoá đó đã biến dần các vật liệu hữu cơ thành dầu mỏ và khí tự nhiên.
- Như vậy có thể coi khí tự nhiên là sản phẩm của quá trình phân huỷ hoá học của dầu mỏ, do đó mỏ khí tự nhiên thường ở sâu hơn mỏ dầu, tuổi của khí tự nhiên thường cao hơn tuổi của dầu mỏ.
- Trong các mỏ dầu các quá trình hoá học vẫn tiếp tục xảy ra, dầu vẫn liên tục biến thành khí, tạo ra các mỏ khí.
- Quá trình hình thành dầu và khí xảy ra rất chậm, kéo dài hàng chục, thậm chí hàng trăm triệu năm rồi và vẫn đang xẩy ra, do đó tuổi của dầu mỏ, của khí tự nhiên là rất lớn.
- 1.3 THÀNH PHẦN CỦA KHÍ TỰ NHIÊN Người ta phân thành phần của khí tự nhiên và khí đồng hành thành hai nhóm: Nhóm các hợp chất hydrocacbon và nhóm các hợp chất phi hydrocacbon.
- Nguyễn Anh Vũ Học viên: Lê Văn Dương Trang 14 Đối với khí tự nhiên thì cấu tử chủ yếu là mêtan còn các cấu tử nặng hơn như C3, C4 là rất ít và thành phần của khí trong một mỏ ở bất kỳ vị trí nào đều là như nhau, nó không phụ thuộc vị trí khai thác.
- Các hợp chất phi hydrocacbon Ngoài các thành phần chính là hydrocacbon, trong khí tự nhiên và khí đồng hành còn chứa các hợp chất khác như: CO2, N2, H2S, He, Ar, Ne.
- Đặc biệt, có những mỏ khí chứa hàm lượng He khá cao, như các mỏ khí tự nhiên ở Mỹ.
- 1.4 PHÂN LOẠI KHÍ TỰ NHIÊN • Phân loại theo nguồn gốc hình thành Theo cách phân loại này, người ta phân thành 3 loại.
- Khí tự nhiên: là các khí chứa trong các mỏ riêng biệt mà thành phần chủ yếu là mêtan (80-95% có mỏ lên đến 99.
- Nguyễn Anh Vũ Học viên: Lê Văn Dương Trang 15 • Phân loại theo hàm lượng C2+ Theo cách phân loại này ta có hai loại: khí khô và khí ẩm.
- Khí khô: là khí có hàm lượng C2.
- Khí ẩm: là khí có hàm lượng C2.
- 1.5 MỘT SỐ TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA KHÍ TỰ NHIÊN • Nhiệt độ tới hạn – áp suất tới hạn Một chất có thể biến từ trạng thái hơi sang trạng thái lỏng khi nhiệt độ giảm và áp suất tăng trong điều kiện nhiệt độ thấp hơn một giá trị nào đó.
- Trên nhiệt độ đó không thể biến hơi thành lỏng ở bất kì áp suất nào.
- Nhiệt độ đó được gọi là nhiệt độ tới hạn.
- Nhiệt độ tới hạn thường được kí hiệu là Tk, tương ứng với Tk có khái niệm áp suất tới hạn Pk.
- Nguyên tố Nhiệt độ sôi Nhiệt độ tới hạn Áp suất tới hạn (Map) Thể tích riêng tới hạn Hệ số nén tới hạn oC oK oC oK cm3/g CH C2H C3H i-C4H n-C4H i-C5H n-C5H CO H2S Áp suất hơi bão hòa Áp suất hơi bão hòa của một chất lỏng là áp suất hơi riêng phần gây ra bởi các phân tử đó tồn tại trên mặt thoáng khi chất lỏng bay hơi cực đại, hay nói cách khác khi có cân bằng bay hơi – ngưng tụ.
- Nguyễn Anh Vũ Học viên: Lê Văn Dương Trang 16 Áp suất hơi bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ.
- Nhiệt độ tăng áp suất hơi bão hòa tăng nhanh.
- Mối quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa và nhiệt độ được biểu diễn bằng phương trình Clapupron – Clausius dạng tích phân: LnP = A/T+ B Với A, B là hằng số phụ thuộc vào bản chất pha lỏng.
- Áp suất hơi bão hòa có giá trị càng lớn nếu chất lỏng có phân tử lượng càng bé.
- Chất có áp suất hơi bão hòa càng lớn là chất dễ bay hơi.
- Nhiệt độ sôi Sự sôi là hiện tượng chất lỏng bay hơi ào ạt, mọi phân tử lỏng đều bay hơi.
- Ở đó áp suất hơi bão hòa của chất lỏng đang sôi bằng áp suất đè lên mặt thoáng.
- Vậy áp suất đè lên mặt thoáng càng lớn thì nhiệt độ sôi càng lớn.
- Nhiệt độ sôi của các hydrocacbon phụ thuộc vào áp suất đè lên mặt thoáng và nhiệt độ sôi được xác định bằng thực nghiệm.
- Khối lượng riêng và tỉ khối Khối lượng riêng của một chất khí hay hỗn hợp là tỉ lệ giữa một đơn vị khối lượng và một đơn vị thể tích chất khí đó chiếm chỗ được tính theo công thức: ρ = vm (kg/m3) Trong đó: m: khối lượng của chất khí (kg) V: thể tích của chất khí (m3) Tỉ khối của khí A so với khí B là tỉ số giữa khối lượng riêng của khí A và khí B ở cùng nhiệt độ và áp suất

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt