Khí thiên nhiên - Những điều cần biết

Khí thiên nhiên - Các phương pháp xử lý Khí thiên nhiên mà khách hàng sử dụng khác xa so với khí thiên nhiên lấy từ lòng đất lên trên bề mặt. Thực tế tất cả khí thiên nhiên khai thác từ các mỏ khí, mỏ khí- condensat, mỏ dầu đều có chứa khí cacbonic. Trong một số mỏ còn có chứa lưu huỳnh. Khí cacbonic là balat, còn lưu huỳnh – thành phần gây tác hại ăn mòn cao, vì vậy khí thiên nhiên cần phải làm sạch các tạp chất này trước khí bơm vào đường ống dẫn khí. Thật ra quy trình xử lý khí thiên nhiên về nhiều mặt ít phức tạp hơn so với quy trình xử lý và lọc dầu thô. Khí thiên nhiên được các khách hàng sử dụng có thành phần chủ yếu là khí metan. Tuy nhiên, khí thiên nhiên tìm thấy tại miệng giếng tuy vẫn có thành phần cơ bản là metan nhưng tuyệt nhiên không phải khí gas sạch. Khí thiên nhiên thu hồi từ các giếng dầu gọi là ‘khí đồng hành’. Khí này có thể tồn tại độc lập với dầu trong cấu tạo (khí tự do), hoặc hoà tan trong dầu thô (khí hoà tan). Khí thiên nhiên thu được từ các giếng khí và giếng khí-condensat, tại đó có ít hoặc không có dầu thô gọi là khí không đồng hành. Các giếng khí được đặc trưng bởi tự nó sinh ra khí thiên nhiên, trong khi đó, các giếng khí-condensat sinh ra khí thiên nhiên cùng với các condensat hydrocacbon nửa lỏng. Khí thiên nhiên không kể từ nguồn nào khi tách ra khỏi dầu thô (nếu có) thường tồn tại trong các hỗn hợp với các hydrocacbon khác, chủ yếu là C2H6, C3H8, C4H10, và C5H11. Ngoài ra, khí thiên nhiên thô còn chứa hơi nước, H2S, CO2, He, N2 và các hợp chất khác. Quá trình xử lý khí thiên nhiên bao gồm việc tách tất cả các dạng hydrocacbon và các chất lưu ra khỏi khí thiên nhiên để tạo ra một sản phẩm gọi là khí thiên nhiên khô và được vận chuyển bằng đường ống dẫn. Khí thiên nhiên được vận chuyển đi các nơi khác phải được làm sạch – tinh chế. Mặc dù yêu cầu phải tách C2H6, C3H8, C4H10, và C5H11 ra khỏi khí thiên nhiên, nhưng chúng đều không phải là chất thải mà được sử dụng vào các mục đích khác. Thực chất, các hydrocacbon đồng hành với tên gọi ‘khí lỏng thiên nhiên’ (NGL) có thể là những sản phẩm thứ cấp của quá trình xử lý khí thiên nhiên nhưng rất có giá trị. NGL bao gồm metan, propan, butan, iso–butan và gasolin tự nhiên. Các NGL được bán riêng lẻ và có những ứng dụng khác nhau; trong đó có cả việc tăng cường thu hồi dầu trong các giếng dầu, cung cấp vật liệu thô cho các nhà máy lọc hoá dầu và đóng vai trò như các nguồn cung cấp năng lượng. Khi một số quy trình xử lý cần thiết có thể được thực hiện gần hay ngay tại đầu giếng (xử lý vỉa), còn toàn bộ việc xử lý khí thiên nhiên được tiến hành tại một thiết bị chế biến/ xử lý, thường đặt tại nơi sản xuất khí thiên nhiên. Khí thiên nhiên khai thác lên được vận chuyển đến các thiết bị xử lý qua một hệ thống đường ống thu gom, chúng có đường kính nhỏ, áp suất thấp. Một hệ thống thu gom liên hợp có thể gồm hàng ngàn dặm đường ống, nối thông thiết bị xử lý với phần trên của 100 giếng khoan trong vùng. Ngoài việc thực hiện tại đầu giếng hoặc tại các thiết bị xử lý trung tâm, nhưng một số khâu xử lý cuối cùng đôi khi được thực hiện tại các thiết bị xử lý trung gian. Các thiết bị này được đặt tại các hệ thống đường ống chính. Mặc dù khí thiên nhiên được tới các thiết bị chiết tách đã là theo tiêu chuẩn nhưng trong một số trường hợp cụ thể vẫn còn một lượng nhỏ NGL, và chúng sẽ được tách tại thiết bị tách khí. Quá trình thực xử lý khí thiên nhiên để thu được các loại khí khô có chất lượng khác nhau thường rất phức tạp, nhưng thường liên quan tới bốn quá trình chính tách các tạp chất khác nhau. Ngoài bốn quá trình nêu trên, người ta còn lắp cả thiết bị làm sạch và thiết bị sấy, thường lắp tại đầu giếng hoặc gần đó. Thiết bị làm sạch về cơ bản có chức năng tách cát và các tạp chất hạt thô khác. Thiết bị sấy đảm bảo duy trì nhiệt độ của khí không giảm xuống quá thấp. Với khí thiên nhiên chứa ít nước, hydrat khí tự nhiên có xu hướng thành tạo khi nhiệt độ giảm. Các hydrat này là các hợp chất rắn hoặc nửa rắn, có hình dạng tương tự như các tinh thể băng. Nếu các hydrat này tích tụ, chúng có thể cản đường đi của khí thiên nhiên qua các van và hệ thống thu gom. Để giảm sự tạo thành các hydrat, các thiết bị đốt nóng khí thiên nhiên cỡ nhỏ thường được lắp đặt dọc theo ống thu gom tại những vị trí dễ tạo thành các hydrat. Tách dầu và khí-condensat Để xử lý và vận chuyển khí thiên nhiên đồng hành hoà tan, thì khí phải được tách ra khỏi dầu hoà tan nó. Quá trình tách khí thiên nhiên khỏi dầu thường được nhờ sử dụng thiết bị được lắp đặt tại đầu giếng hoặc ở gần đó. Quy trình thực tế dùng để tách dầu ra khỏi khí thiên nhiên và thiết bị sử dụng, có thể có những khác biệt rất lớn. Mặc dù khí thiên nhiên được vận chuyển trong đường ống có chất lượng khô thì gần như là đồng nhất qua các vùng địa lý khác nhau, nhưng khí thiên nhiên thô từ các vùng khác nhau có thể có các thành phần khác nhau và do đó yêu cầu tách cũng khác nhau. Trong rất nhiều trường hợp, khí thiên nhiên hoà tan trong dầu dưới lòng đất về cơ bản phụ thuộc vào áp suất bên trên cấu tạo. Khi khí thiên nhiên và dầu được khai thác, nó có thể nó sẽ tự phân tách một cách đơn giản nhờ giảm áp suất, giống như khi mở một lon xôđa CO2 hoà tan được giải phóng. Trong những trường hợp như thế, sự tách dầu và khí là tương đối dễ, và hai hydrocacbon được chuyển đi theo các đường tách biệt để tiếp tục xử lý. Loại thiết bị tách cơ bản nhất được biết đến là một thiết bị tách thông dụng, gồm một thùng cấu tạo đơn giản, dưới tác dụng của trọng lực làm tách các chất lỏng nặng hơn như dầu, và các khí nhẹ hơn như khí thiên nhiên.. Tuy nhiên, trong những trường hợp cụ thể thì cần phải sử dụng thiết bị đặc biệt để tách dầu và khí thiên nhiên. Có thể đưa ra một ví dụ về loại thiết bị này đó là thiết bị tách ở nhiệt độ thấp – (LTX). Thiết bị này được sử dụng phổ biến nhất cho các giếng khoan có khí áp suất cao cùng với dầu thô nhẹ hoặc khí-condensat. Thiết bị tách này dựa trên nguyên lý chênh áp để làm mát khí thiên nhiên ẩm và tách dầu ra khỏi khí ngưng tụ. Khí ẩm đi vào thiết bị tách, được làm mát ở một mức độ vừa phải nhờ một bộ trao đổi nhiệt sau đó đi qua một thiết bị loại bỏ chất lỏng ở áp suất cao, nó có tác dụng tách tất cả chất lỏng đưa vào trong thiết bị tách nhiệt độ thấp. Khí này sau đó chảy vào thiết bị tách ở nhiệt độ thấp nhờ một cơ cấu tiết lưu, khí được giản nở khi đi vào trong thiết bị tách. Khí giản nở nhanh sẽ làm giảm nhiệt độ trong thiết bị tách. Sau khi đã tách chất lỏng, khí khô đi ngược trở lại qua bộ trao đổi nhiệt và được làm nóng lên nhờ khí ẩm mới đi vào. Bằng cách thay đổi áp suất của khí tại các bộ phận khác nhau của thiết bị tách, nó cho phép thay đổi nhiệt độ làm cho dầu và nước ngưng tụ và tách ra khỏi dòng khí ẩm. Mối quan hệ nhiệt độ - áp suất cơ bản này có thế được ứng dụng ngược lại để tách khí từ dòng dầu ở dạng lỏng. Tách nước Ngoài việc tách dầu và một số khí-condensat ra khỏi dòng khí ẩm, cũng cần phải tách tất cả nước đồng hành. Hầu hết các chất lỏng, nước đồng hành cùng khí thiên nhiên được tách bằng các phương pháp tách đơn giản tại đâì giếng hoặc gần đó. Tuy nhiên, việc tách hơi nước trong dung dịch khí thiên nhiên cần phải có biện pháp xử lý phức tạp hơn. Phương pháp xử lý này gồm cả việc khử nước khí thiên nhiên, thường liên quan tới hai quá trình: hoặc hấp thụ (absorption) hoặc hấp phụ (adsorption). Sự hấp thụ xảy ra khi hơi nước được rút ra bởi một tác nhân khử nước. Sự hấp phụ xảy ra khi hơi nước ngưng tụ và tích tụ trên bề mặt. Làm khô glycol Làm khô glycol là một ví dụ về khử nước hấp thụ. Trong quá trình này, chất khử nước lỏng có nhiệm vụ hút hơi nước từ dòng khí. Glycol, tác nhân chủ yếu trong quả chình này có ái lực hoá học với nước. Điều đó có nghĩa là khi tiếp xúc với một dòng khí thiên nhiên có chứa nước, glycol sẽ đảm nhiệm việc lấy nước ra khỏi dòng khí này. Về cơ bản, khử nước glycol là sử dụng dung dịch glycol thường hoặc là dietylen glycol (CH2CH2OH)2O (DEG) hoặc trietylen glycol (TEG) HO((CH2CH2)O)3H. Chúng được cho vào dòng khí ấy trong thiết bị được gọi là ‘contactor’-chất tiếp xúc. Dung dịch glycol sẽ hút nước từ khí ẩm. Khi hút nước, các hạt glycol trở nên nặng hơn và chìm xuống đáy của bình tiếp xúc, ở đó, người ta sẽ tách lấy chúng. Phần lớn thành phần nước được tách của khí thiên nhiên, sau đó được đưa ra khỏi thiết bị khử nươc. Dung dịch glycol, mang theo toàn bộ nước hút được từ khí thiên nhiên, được đưa vào qua một nồi hơi được thiết kế đặc biệt để làm bay hơi nước khỏi dung dịch. Trong khi nước có nhiệt độ sôi 212 0F, còn glycol chỉ sôi khi được đun nóng tới nhiệt độ 4000F. Sự chênh nhiệt độ sôi này giúp cho việc tách nước khỏi dung dịch glycol trở nên dễ dàng hơn, nó cho phép tái sử dụng trong quá trình khử nước. Một cải tiến mới trong quá trình này là việc lắp thêm các bình ngưng- tách nhanh. Cùng với việc hút nước từ dòng khí ẩm, dung dịch glycol thường mang theo nó một lượng nhỏ metan và các hợp chất khác chứa trong khí ẩm. Trước kia, metan này chỉ đơn giản được thoát ra khỏi nồi hơi. Ngoài việc làm giảm tỷ lệ khí thiên nhiên đã chiết suất được, metan thoát ra cũng làm tăng mức độ ô nhiễm không khí và gây ra hiệu ứng nhà kính. Để giảm lượng khí metan và các hợp chất khác thải vào trong không khí, bình ngưng-tách nhanh có tác dụng tách các hợp chất này trước khi dung dịch glycol được đưa vào nồi hơi. Về cơ bản, bình ngưng-tách nhanh gồm một thiết bị làm giảm áp suất của dòng dung dịch hoà tan glycol, làm bay hơi khí metan và các hydrocacbon khác (flash). Dung dịch hoà tan glycol sau đó đi đến nồi hơi,có tác dụng giữ tất cả các hợp chất hữu cơ còn trong dung dịch glycol. Theo nghiên cứu cho thấy hệ thống này chỉ thu hồi được 90 – 99% metan. Khử nước bằng chất ngưng tụ dạng rắn Khi cần thiết phải giảm hàm lượng hơi nước trong khí đến 0,01 g/m3 và thấp hơn, thường sử dụng chất hấp phụ dạng rắn. Các chất ngưng tụ điển hình gồm có oxit nhôm hoạt tính, bauxit, zeolit hoặc một loại vật liệu silic dạng hạt gel. Bản chất của việc hấp phụ là do chất hút có tỉ bề mặt rất lớn với nhiều lỗ rỗng mao dẫn, và kích thước của chúng tương ứng với kích thước phân tử nước, tạo tích tụ các phân tử nước hoặc các vật chất khác. Kích thước lỗ rỗng càng bé thì trong chúng càng xuất hiện nhiều lực kéo phân tử, chúng hút giữ chặt các phân tử của chất bị hút. Tỉ bề mặt của chất hút càng lớn (nghĩa là độ xốp càng cao) thì khả năng hấp phụ càng lớn. Tỉ bề mặt của các chất hút công nghiệp đạt đến hàng trăm mét vuông trên 1 gam chất hút. Chất hấp phụ công nghiệp cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau: 1) dung tích hấp phụ cân bằng cao; 2) tính thuận nghịch của sự hấp phụ và đơn giản sử dụng; 3) vận tốc hấp thụ cao; 4) sức kháng dòng khí nhỏ; 5) độ bền cơ học cao, không bị nát vụn và phát tán chất hấp thụ; 6) tính trơ hóa học; 7) sự biến đổi thể tích không lớn do nhiệt độ và độ bão hòa. Khử nước bằng chất ngưng tụ dạng rắn là dạng cơ bản của quá trình làm khô khí thiên nhiên khi sử dụng phương pháp hấp phụ, và thường có hai hoặc nhiều thùng hấp thụ, trong đó chứa đầy một loại chất ngưng tụ ở dạng rắn. Thiết bị hấp phụ với thiết bị hấp thụ khác nhau chủ yếu là trong quá trình bão hòa chất hút và hoàn nguyên sinh được thực hiện theo chu kỳ trong cùng một thiết bị này. Khi chất hút trong một của hai thùng hấp phụ được bão hòa hơi nước, trong thùng kia xảy ra khử và làm lạnh chất hút. Sau khi chất hấp phụ trong thùng thứ nhất bão hòa hơi nước dòng khí được chuyển qua thùng thứ hai, chất hập phụ đó trong lúc này được làm khô và giảm nhiệt đến nhiệt độ quy định của bình tiếp xúc. Sau đó thùng thứ nhất được phục hồi và tiếp tục làm lạnh. Tất cả các thiết bị hấp phụ làm việc chu kỳ. Khí thiên nhiên ẩm được đưa qua các tháp này từ đỉnh tới đáy. Khi khí ẩm di chuyển xung quanh các hạt vật liệu ngưng kết, nước được giữ lại trên bề mặt của các hạt ngưng kết này. Khi đã đi qua hết toàn bộ lớp ngưng tụ thì hầu như tất cả nước được hấp phụ trên bề mặt vật liệu ngưng kết, để lại khí khô ở phần đáy của tháp. Các thiết bị khư nước sử dụng chất ngưng tụ dạng rắn về cơ bản có hiệu quả hơn các thiết bị khử nước sử dụng glycol và thường được lắp đặt như một loại hệ thống thiết bị ôm từ hai phía dọc theo đường ống dẫn khí. Loại hệ thống khử nước này thích hợp nhất với thể tích khí lớn dưới áp suất rất cao và do đó thường được đặt trên môt đường ống dẫn hạ nguồn của trạm máy nén khí. Phải cần đến hai hoặc nhiều hơn các tháp do sau một thời gian sử dụng nhất định, chất ngưng tụ trong tháp trở nên bão hoà với nước. Để tái tạo ra chất ngưng tụ, người ta sử dụng một lò sinh nhiệt nhiệt độ cao để làm nóng khí gas tới một nhiệt độ rất lớn. Khí gas đã được xử lý nhiệt này được đưa qua một lớp chất ngưng tụ đã bão hoà làm bay hơi nước trong tháp ngưng tụ để lại khí khô và cho phép tiếp tục quá trình khử nước khí thiên nhiên. Tách khí thiên nhiên lỏng Khí thiên nhiên khai thác trực tiếp từ một giếng khoan có chứa rất nhiều khí thiên nhiên lỏng (NGL) và thường phải được tách bỏ. Trong hầu hết các trường hợp thì NGL có giá trị cao hơn khi ở dạng sản phẩm đã được tách lọc và vì thế khi tách chúng ra khỏi dòng chất khí sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao. Sự tách các NGL thường diễn ra tại một thiết bị xử lý gần trung tâm và sử dụng các kỹ thuật tương tự như đã sử dụng để khử nước hoá khí thiên nhiên. Có hai bước cơ bản để xử lý khí thiên nhiên lỏng. Bước đầu tiên là chiết xuất các chất lỏng ra khỏi khí thiên nhiên. Bước thứ hai là các khí thiên nhiên lỏng phải được tách riêng biệt ra và được đưa về dạng nguyên chất. Chiết xuất khí thiên nhiên lỏng Có hai kỹ thuật cơ bản để tách khí thiên nhiên lỏng ra khỏi dòng khí thiên nhiên đó là: phương pháp hấp thụ và quá trình giãn nở nhờ làm lạnh, và hai quá trình trên chiếm khoảng 90% tổng sản phẩm khí lỏng. Phương pháp hấp thụ Phương pháp hấp thụ được sử dụng để chiết xuất khí thiên nhiên lỏng cũng tương tự như phương pháp hấp thụ trong quá trình khử nước. Điểm khác biệt chính là ở chỗ, trong hấp thụ, dầu được hấp thụ được sử dụng như một chất đối nghịch với glycol. Dầu hấp thụ này có ái lực với khí thiên nhiên lỏng cũng theo cơ chế tương tự như glycol có ái lực với nước. Trước khi dầu lấy đi các phần tử khí thiên nhiên lỏng thì nó được gọi là dầu hấp thụ gầy. Khi khí thiên nhiên được đưa qua một tháp hấp thụ, nó tạo liên kết với dầu hấp thụ, dầu này thấm một lượng lớn khí thiên nhiên lỏng. Dầu hấp thụ giàu lúc này đã có chứa khí thiên nhiên lỏng, đi qua tháp hấp thụ rồi xuống đáy. Lúc này, nó là một hỗn hợp dầu hấp thụ, propan, butan và pentan và các hydrocacbon khác nặng hơn. Dầu béo được nạp liệu cho các thiết bị chưng cất dầu gầy, tại đó, hỗn hợp này được làm nóng tới nhiệt độ trên điểm sôi của khí thiên nhiên lỏng và dưới nhiệt độ sôi của dầu. Quá trình này giúp thu hồi được khoảng 75% butan, 80 – 90% pentan và các phần tử nặng hơn từ dòng khí thiên nhiên/ khí mỏ. Quá trình xử lý bằng hấp thụ cơ bản có thể được điều chỉnh để làm tăng hiệu quả sử dụng, hoặc để hướng tới những mục đích chiết xuất nhất định. Trong phương pháp ngưng tụ dầu nhờ làm lạnh, dầu gầy được làm mát nhờ thiết bị làm lạnh, propan thu được có thể lên tới 90% và khoảng 40% etan có thể được chiết xuất từ dòng khí thiên nhiên. Việc chiết xuất các thành phần còn lại, khí thiên nhiên lỏng nặng hơn có thể đạt gần 100% khi sử dụng quá trình này. Quá trình giãn nở nhờ làm lạnh Các quá trình làm lạnh cũng được sử dụng để chiết xuất khí thiên nhiên lỏng từ khí thiên nhiên. Trong khi các phương pháp hấp thụ có thể chiết xuất được gần như tất cả khí thiên nhiên lỏng thì các hydrocacbon nhẹ hơn như etan thường khó tách ra khỏi dòng khí thiên nhiên. Trong những trường hợp cụ thể, nếu để lại khí thiên nhiên lỏng nhẹ trong dòng khí thiên nhiên sẽ là kinh tế hơn. Tuy nhiên, nếu việc chiết xuất etan và các hydrocacbon nhẹ khác đảm bảo tính kinh tế thì phải sử dụng các quy trình làm lạnh để tạo ra được tốc độ thu hồi cao. Về cơ bản, các quá trình làm lạnh là sự giảm nhiệt độ của dòng khí tới khoảng 1200F. Có nhiều cách khác nhau để làm lạnh chất khí tới khoảng nhiệt độ này, một trong những cách hiệu quả nhất được biết đến là xử lý bằng tuabin giãn nở. Trong phương pháp xử lý này, các tác nhân làm lạnh từ bên ngoài được sử dụng để làm mát dòng khí thiên nhiên. Sau đó, tuabin giãn nở được sử dụng để làm giãn nở nhanh chất khí đã được làm lạnh, khiến cho nhiệt độ giảm xuống một cách đáng kể. Sự giảm nhiệt độ đột ngột làm ngưng tụ khí etan và các hydrocacbon khác trong dòng sản phẩm khí, trong khi đó metan vẫn được giữ ở dạng khí. Quá trình này cho phép thu hồi được khoảng 90 tới 95% etan có nguồn gốc từ dòng chất khí. Ngoài ra, tuabin giãn nở cũng cho phép chuyển một phần năng lượng giải phóng khi khí thiên nhiên giãn nở vào trong nén ép metan dạng khí đi ra ngoài, vì thế mà việc tiết kiệm năng lượng lien quan tới việc chiết xuất etan.