Cơ chế quá trình lắng đọng sáp trong khai thác và vận chuyển dầu mỏ

Nguyên nhân chính dẫn đến tích tụ sáp trong các thiết bị khai thác và vận chuyển dầu là sự giảm khả năng hòa tan của sáp trong dầu thô. Sự giảm của nhiệt độ hoặc áp suất hoặc cả hai góp phần làm sáp tích tụ trong dầu thô. Sự giảm nhiệt độ và áp suất làm tách pha các hydrocacbon nhẹ trong dầu thô và là nguyên nhân dẫn tới giảm khả năng của dầu trong việc giữ các phân tử sáp tan trong đó và gây ra kết tủa sáp từ dòng dầu khai thác. Theo Singhal...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cơ chế quá trình lắng đọng sáp trong khai thác và vận chuyển dầu mỏ Cơ chế của quá trình lắng đọng sáp trong khai thác và vận chuyển dầu mỏ Nguyên nhân chính dẫn đến tích tụ sáp trong các thiết bị khai thác và vận chuyển dầu là sự giảm khả năng hòa tan của sáp trong dầu thô. Sự giảm của nhiệt độ hoặc áp suất hoặc cả hai góp phần làm sáp tích tụ trong dầu thô. Sự giảm nhiệt độ và áp suất làm tách pha các hydrocacbon nhẹ trong dầu thô và là nguyên nhân dẫn tới giảm khả năng của dầu trong việc giữ các phân tử sáp tan trong đó và gây ra kết tủa sáp từ dòng dầu khai thác. Theo Singhal et al, “Khi trạng thái cân bằng giữa dầu thô và các phân tử sáp mất đi, quá trình kết tủa sáp sẽ xảy ra. Sự mất cân bằng sẽ xuất hiện khi có sự giảm về nhiệt độ và/hoặc áp suất của dòng chảy”. I. Cơ chế quá trình lắng đọng sáp Kết tủa sáp có thể xảy ra ở mọi điểm, từ đáy giếng tới các bồn chứa. Nhiệt độ xuất hiện tinh thể sáp “Cloud point” và nhiệt độ đông đặc là hai đại lượng chung đặc trưng cho tính chất của sáp. “Cloud point” là nhiệt độ mà tại đó sáp bắt đầu kết tinh trong dầu lỏng. Khi nhiệt độ giảm, các hạt sáp đã kết tủa này tương tác qua lại và hình thành mạng liên kết không gian giữa các hạt sáp. Đến một nhiệt độ nào đó, dầu thô trở nên đặc và không chảy được nữa. Nhiệt độ mà tại đó dầu thô không chảy được gọi là điểm “đông” hay nhiệt độ đông đặc. Sự kết tủa sáp bắt đầu tại nhiệt độ và áp suất xuất hiện sáp của lượng sáp tan trong dầu. Sự suy giảm nhiệt độ, hoặc có thể xảy ra trên thành giếng hoặc trên hệ thống vận chuyển do nguyên nhân giãn nở khí, hoặc có thể là tổn thất nhiệt lượng qua ống chống, qua vành xuyến xi măng, qua vùng vỉa xung quanh giếng và ra vùng xung quanh đường ống vận chuyển (đất, nước, không khí). Trong suốt quá trình tích tụ, các phần tử sáp kết tinh từ dầu thô dưới dạng các tinh thể riêng biệt. Các tinh thể này tồn tại trong dầu lỏng dưới dạng pha phân tán và chúng có xu hướng tạo vật thể rắn quanh mầm kết tinh là các asphanten để hình thành các hạt sáp kích thước tương đối lớn. Tích tụ sáp thường là kết quả của các cơ chế sau: - Khuyếch tán phân tử - Phân tán trượt - Chuyển động Brownian - Ảnh hưởng của trọng lực - Ảnh hưởng của điện động học Khuyếch tán phân tử xảy ra khi nhiệt độ của dòng chất lỏng trong ống khai thác và đường ống vận chuyển hạ xuống thấp dưới nhiệt độ kết tinh sáp và các phân tử sáp có xu hướng dịch chuyển về phía thành ống dưới động lực của gradien nồng độ. Trong tất cả các điều kiện dòng chảy, dầu sẽ được giả thiết ở chế độ chảy tầng hoặc là trong toàn bộ đường ống, hoặc là ít nhất trong một lớp mỏng gần thành đường ống. Khi dầu bị nguội đi, sẽ có một gradient nhiệt độ ngang qua lớp mỏng đó. Nếu nhiệt độ này giảm xuống thấp hơn nhiệt độ xuất hiện tinh thể sáp rắn (WAT), gradient nồng độ của sáp rắn hoà tan sẽ có hiệu lực và các chất hoà tan sẽ dịch chuyển, hướng đến thành ống bởi sự khuếch tán phân tử. Trong phân tán trượt xảy ra khi có sự biến thiên vận tốc từ tâm dòng chảy tới thành đường ống dẫn. Xét trong một mặt phẳng đi qua tâm đường ống, vận tốc dòng chảy đạt giá trị cao nhất tại tâm dòng chảy và giảm dần về hai phía thành ống do bị ảnh hưởng bởi trở lực đường ống. Khi nồng độ của các hạt cao và số lượng các hạt đủ lớn thì sự tương tác qua lại của hạt xảy ra. Trong mỗi phân tử sáp tương tác với các phân tử sáp ở gần chúng trong lớp chất lỏng chuyển động với vận tốc chậm hơn hoặc nhanh hơn, gây ra chuyển động quay của hạt trong dòng chất lỏng. Một hạt rắn trong dòng chất lỏng có khuynh hướng để đạt được vận tốc ở tâm của dòng chảy. Tuy nhiên, khi hạt rắn (càng) gần với thành đường ống thì cả hai vận tốc dài và vận tốc góc đều giảm. Chính sự tương tác phức tạp này dẫn tới sự phân tán của các phân tử sáp trong dòng chảy và cuối cùng dẫn đến một sự dịch chuyển ngang và một sự tán xạ của các hạt về phía thành đường ống. Trong khuyếch tán phân tử, động lực là gradien nồng độ, còn trong phân tán trượt động lực là gradien vận tốc. Theo Burger, “Khuyếch tán phân tử sẽ chiếm ưu thế ở điều kiện nhiệt độ cao và tồn tại dòng nhiệt đáng kể, trong khi đó phân tán trượt là cơ chế chiếm ưu thế khi nhiệt độ thấp hơn và dòng nhiệt không đáng kể. Trong chuyển động Browner, các phân tử của dầu tham gia chuyển động nhiệt li ên tiếp va chạm với các hạt sáp rắn và nhỏ. Các tinh thể wax kết tủa và lơ lửng ở trong dầu tiếp tục bị tác động bởi các phân tử dầu chuyển động nhiệt dẫn đến các chuyển động hỗn độn Brownian. Trong sự ảnh hưởng của gradient nồng độ, chuyển động Brownian sẽ dẫn đến một mạng l ưới vận chuyển hướng đến thành đường ống tương tự như sự khuếch tán phân tử. Ảnh hưởng của trọng lực: Các tinh thể wax nặng hơn pha lỏng xung quanh. Trừ khi bị cản trở, các cấu tử này sẽ lắng xuống dưới tác dụng của trường trọng lực và lắng đọng lên đáy của các đường ống dẫn hoặc các bể chứa. Ảnh hưởng của điện động học: Khi dòng thô chảy trong một đường dẫn (môi trường lỗ rỗng, ống khai thác, ống dẫn), điện thế tăng dần dọc theo đ ường dẫn bởi vì sự chuyển động của các hạt tích điện có mặt trong dung dịch. Điện thế n ày có thể gây ra một sự thay đổi điện tích của các hạt keo, các hạt keo này sẽ bị lực hút tĩnh điện hướng về phía thành của các đường dẫn. Như vậy, các hạt keo bắt đầu lắng đọng lên thành các đường dẫn. II. Các phương pháp ngăn ngừa tích tụ sáp Ngăn ngừa tích tụ sáp có thể đạt được bằng cách giữ các sáp rắn ở trạng thái tan trong dòng dầu khai thác hoặc hạn chế tối đa quá trình bám dính, tạo vật thể có kích thước lớn hơn của các hạt sáp rắn trên bề mặt thiết bị. Theo Matlach và Newberry: “Nếu hàm lượng sáp trong dầu thô chiếm một lượng từ thấp đến mức độ trung bình (0-10%) thì việc xử lý được thực hiện định kỳ theo các phương pháp thông dụng khi cần. Nếu hàm lượng sáp vượt quá 10%, theo kinh nghiệm loại dầu này gây tích tụ và sự cố dòng chảy nghiêm trọng, thì buộc lòng phải xử lý thường xuyên để đảm bảo cho quá trình khai thác được diễn ra liên tục. Tồn tại nhiều phương p ...