Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Mỏ Sư Tử Trắng được phát hiện vào ngày 19/11/2003, thuộc Lô 15.1 trên thềm lục địa Việt Nam. Mỏ nằm ở độ sâu 56 m nước, cách đất liền khoảng 62 km và cách giàn xử lý trung tâm Vũng Tàu CPP 18 km. Đây là mỏ dầu khí nằm ở khoảng cách xa nhất so với hệ thống xử lý trung tâm trong khu vực do Công ty Liên doanh Điều hành Cửu Long (Cửu Long JOC) quản lý. Dự án "Giai đoạn thử nghiệm và sản xuất thời gian dài của mỏ Sư Tử Trắng" chính thức đi vào hoạt động từ năm 2012 với cấu hình ban đầu gồm 4 giếng cao áp, công suất xử lý 6.000 thùng condensate/ngày (BPD) và 50 triệu feet khối khí tiêu chuẩn/ngày (MMSCFD). Toàn bộ sản phẩm lỏng được vận chuyển về giàn xử lý trung tâm Sư Tử Vàng qua hệ thống đường ống đa pha.

Nhằm duy trì và gia tăng sản lượng khai thác condensate mà không làm suy giảm lưu lượng khí cung cấp cho giàn Sư Tử Vàng, dự án mở rộng việc lắp đặt giàn nén khí ST-PIP kết nối với giàn đầu giếng WHP-C. Hoạt động khoan bổ sung hai giếng mới (ST-5P, ST-6P) kết hợp cùng hai giếng hiện hữu (ST-1P, ST-2P) được triển khai nhằm thực hiện giải pháp bơm ép khí áp suất cao xuống vỉa để đẩy dòng lưu chất phục vụ khai thác hai giếng ST-3P và ST-4P. Quy trình này nâng tổng sản lượng khí của mỏ lên 150 MMSCFD, trong đó 100 MMSCFD được nén bơm ép tái tuần hoàn xuống vỉa và 50 MMSCFD được xử lý vận chuyển về bờ và mỏ Bạch Hổ. Quá trình vận chuyển khí qua khoảng cách đường ống dài từ 100 đến 150 km gây tổn thất áp suất đáng kể, đòi hỏi hệ thống máy nén phải đáp ứng áp lực xả cực cao để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật tiếp nhận tại nhà máy xử lý khí trên bờ cũng như áp suất vỉa.

Đồ án quá trình thiết bị tập trung giải quyết 4 nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  1. Thiết kế thiết bị tách thu hồi lỏng (Scrubber) trước khi dòng khí đi vào từng cấp nén.
  2. Thiết kế hệ thống đường ống công nghệ cho toàn bộ hệ thống máy nén.
  3. Tính toán nhu cầu lưu lượng nước làm mát trong hệ thống nước làm mát (Cooling Water).
  4. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống máy nén trên giàn ST-PIP bằng phần mềm Aspen HYSYS.

Đối tượng nghiên cứu là cụm máy nén khí ly tâm hai cấp và hệ thống phụ trợ (thiết bị trao đổi nhiệt, bình tách lỏng-khí, mạng đường ống) lắp đặt trên giàn khai thác Sư Tử Trắng (ST-PIP), dựa trên các số liệu địa chất và công nghệ năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Cơ sở tính toán nhiệt động học của máy nén khí dựa trên các phương trình biến đổi trạng thái khí thực, bao gồm quá trình nén đoạn nhiệt ($p \cdot v^k = \text{const}$) và quá trình nén đa biến ($p \cdot v^n = \text{const}$). Hiệu suất và công suất nén được xác định thông qua entanpi, hệ số nén trung bình ($Z_a$) và tỉ số nhiệt dung riêng ($k = C_p / C_v$).

Các tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp được sử dụng trong quá trình tính toán và kiểm tra kích thước bao gồm:

  • API Standard 617: Tiêu chuẩn của Viện Dầu mỏ Hoa Kỳ dành cho máy nén ly tâm trong ngành lọc - hóa dầu và xử lý khí (Centrifugal Compressors for General Refinery Services).
  • GPSA Engineering Data Book (13th Edition, Section 17): Hướng dẫn kỹ thuật của Hiệp hội các nhà cung cấp thiết bị chế biến khí về lựa chọn máy nén và tính toán kích thước thiết bị phân tách (Separation Equipment).
  • Tài liệu kỹ thuật giàn ST-PIP: Hồ sơ thiết kế kích thước hệ thống công nghệ của Technip (Tài liệu số 204-4826-9J-0004, Appendix 2: Gas Reinjection Compression Suction Scrubber Sizing).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp mô phỏng quá trình: Ứng dụng phần mềm Aspen HYSYS phiên bản 11.1 để thiết lập sơ đồ dòng công nghệ tĩnh. Sử dụng hệ nhiệt động Peng-Robinson để tính toán cân bằng pha lỏng-hơi và tính chất nhiệt động của hỗn hợp hydrocarbon chứa khí chua nhẹ ($CO_2, N_2$). Phương pháp cấu tử giả (Hypothetical components) được dùng để mô hình hóa các phân đoạn hydrocarbon nặng dựa trên số liệu phân tích chưng cất mẫu thử vỉa DST#2 và DST#3.
  • Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật: Thiết lập hệ phương trình thủy lực để tính toán đường kính trong, chiều cao bình tách, kiểm tra giới hạn vận tốc khí bay hơi cực đại ($V_{max}$) theo phương trình Souders-Brown có xét đến hệ số kinh nghiệm $K$. Tính toán kích thước nozzle dựa trên tiêu chuẩn chuẩn số động lượng dòng chảy ($\rho \cdot V^2$).

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu đầu vào gồm bảng thành phần khí tách ra từ bình tách sản xuất (Production Separator) trên giàn ST-PIP với hàm lượng Methane chiếm ưu thế, phân tích mẫu chất lưu vỉa từ các giếng khoan mỏ Sư Tử Trắng, và các thông số vận hành biên (áp suất nén yêu cầu từ 89,8 barg lên đến 525 barg, lưu lượng thiết kế 100 MMSCFD).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về mỏ Sư Tử Trắng và hệ thống máy nén khí

Chương này khái quát điều kiện địa lý, lịch sử phát triển mỏ Sư Tử Trắng tại Lô 15.1 và vai trò của việc tái bơm ép khí trong công nghệ duy trì năng lượng vỉa. Tác giả tiến hành phân loại các dòng máy nén công nghiệp: nhóm máy nén thể tích (piston, trục vít/rotary) và nhóm máy nén động lượng (ly tâm, hướng trục).

Dựa trên dải làm việc tiêu chuẩn GPSA, với lưu lượng khí 100 MMSCFD và áp suất nén cực cao (từ ~90 barg lên tới 525 barg), đồ án luận giải việc lựa chọn máy nén ly tâm 2 cấp nén là giải pháp tối ưu. Máy nén ly tâm đáp ứng tốt tỷ lệ công suất trên khối lượng lớn, ít chi tiết chuyển động cơ học ma sát, vận hành liên tục ổn định ngoài khơi và chiếm diện tích sàn giàn khoan nhỏ hơn so với máy nén thể tích.

                  SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ KHÍ QUA CỤM NÉN HAI CẤP

Hệ thống cấu tạo bao gồm:

  • Cấp nén 1: Khí từ bình tách sản xuất đi qua bộ làm mát Suction Cooler (dạng trao đổi nhiệt mạch in PCHE dùng nước biển) để hạ nhiệt xuống 50°C, sau đó đi qua Suction Scrubber nhằm loại bỏ giọt lỏng ngưng tụ trước khi vào buồng nén sơ cấp để nâng áp suất từ 90,14 psia lên 255,67 psia.
  • Cấp nén 2: Khí nóng sau cấp 1 (~144°C) được làm mát trung gian qua Interstage Cooler về mức 50°C, tách lỏng tại Interstage Scrubber, rồi đi vào cấp nén thứ hai để nâng áp suất đạt 525,44 psia (tương đương áp suất bơm ép 525 barg). Dòng khí xả cấp 2 đạt nhiệt độ khoảng 118°C, nằm trong ngưỡng chịu nhiệt tối đa của ống đầu giếng (145°C) nên không cần thiết kế thêm bộ làm mát thứ cấp.

Chương 2: Mô phỏng hệ thống máy nén bằng phần mềm Aspen HYSYS

Chương 2 trình bày quy trình xây dựng mô hình công nghệ trên Aspen HYSYS v11.1:

  • Khai báo nhiệt động: Thiết lập gói Fluid Package Peng-Robinson, khai báo các cấu tử cơ bản ($CH_4, C_2H_6, C_3H_8, iC_4, nC_4, C_5+, CO_2, N_2$) và các cấu tử giả dầu thô từ dữ liệu DST.
  • Mô phỏng thiết bị phụ trợ: Sử dụng công cụ ADJUST để kiểm soát lưu lượng dòng khí nguyên liệu đạt chính xác 100 MMSCFD. Tương tự, lưu lượng dòng nước làm mát Cooling Water (CW) cấp vào Suction Cooler và Interstage Cooler được tinh chỉnh tự động bằng ADJUST để đảm bảo nhiệt độ khí sau làm mát đạt giá trị đích 50°C.
  • Mô phỏng bình tách: Áp dụng module Two-Phase Separator cho Suction Scrubber và Interstage Scrubber. Dòng lỏng tách ra được dẫn hồi lưu về đường gom sản phẩm lỏng, còn pha khí sạch được nạp vào máy nén.
  • Mô phỏng hai cấp nén: Nạp đường đặc tính khí động học (Performance Curves) do nhà sản xuất cung cấp vào mô hình máy nén. Vì hai cấp nén được dẫn động chung bởi một trục từ động cơ tua bin khí, công cụ SET trong HYSYS được kích hoạt để đồng bộ hóa vận tốc quay của hai cấp nén bằng nhau.

Chương 3: Tính toán thiết kế các thiết bị chính trong hệ thống

Chương này tập trung tính toán cơ học và thủy lực chi tiết cho từng thiết bị theo các công thức kỹ thuật:

  • Tính toán nhiệt động máy nén: Xác định các thông số hoạt động của hai cấp nén gồm tỉ số nén, năng suất nén đoạn nhiệt ($H_{ad}$), năng suất nén đa biến ($H_{po}$), nhiệt độ đầu ra và công suất tiêu thụ thực tế.
  • Thiết kế bình tách Suction Scrubber và Interstage Scrubber: Xác định đường kính trong tối thiểu ($D_{min}$) chống tạo bọt, diện tích bề mặt yêu cầu ($A_{req}$), và chiều cao bình dựa trên thời gian lưu của các mức chất lỏng: mức ngắt cao cao (LZAHH/LAHH), mức báo cao (LAH), mức làm việc bình thường (NLL), mức báo thấp (LAL), mức ngắt thấp thấp (LALL), và đường tiếp tuyến đáy (BTL). Bình được trang bị cơ cấu khử giọt lỏng dạng Vane-pack Mist Eliminator, bảo đảm tách 99% các hạt lỏng có kích thước từ 10 $\mu\text{m}$ trở lên.
  • Thiết kế nozzle: Tính toán kiểm tra đường kính ống đầu vào khí-lỏng ($N_1$), đầu ra pha khí ($N_2$), và đầu ra pha lỏng ($N_3$) dựa trên tiêu chuẩn giới hạn động năng dòng chảy.
  • Thiết kế đường ống và hệ thống phụ trợ: Tính toán đường kính ống pha lỏng, pha khí, dòng hai pha theo chuẩn số Reynolds và hệ số ma sát, cùng nhu cầu nhiệt tải của hệ thống nước làm mát.

Chương 4: Tác động của hệ thống máy nén đến con người và môi trường

Chương 4 đánh giá các yếu tố an toàn lao động và bảo vệ môi trường trong quá trình vận hành hệ thống máy nén trên công trình biển:

  • Ô nhiễm không khí: Khí thải sinh ra từ buồng đốt tua bin dẫn động máy nén chứa các hợp chất $CO_2, NO_x, SO_x$ và bụi vi lượng.
  • Ô nhiễm nguồn nước biển: Nguy cơ rò rỉ dầu bôi trơn từ hệ thống làm kín trục máy nén (Oil seal) và nước làm mát thải ra môi trường biển.
  • Ô nhiễm tiếng ồn: Tiếng ồn phát sinh từ các bộ cánh quạt quay tốc độ cao và dòng khí áp suất lớn, tiềm ẩn nguy cơ gây suy giảm thính lực nghề nghiệp (NIHL - Noise Induced Hearing Loss) cho người lao động, đòi hỏi phải thực hiện nghiêm ngặt các biện pháp giảm chấn, cách âm và sử dụng phương tiện bảo vệ cá nhân (PPE).

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Kết quả tính toán nhiệt động và kích thước hệ thống

Toàn bộ thông số vận hành và kích thước hình học của cụm thiết bị nén và bình tách đã được tính toán và đối sánh giữa mô hình giải tích và phần mềm HYSYS:

Thông số kỹ thuật Cấp nén 1 / Suction Scrubber Cấp nén 2 / Interstage Scrubber
Áp suất đầu vào ($P_s$) 90,14 psia 254,14 psia
Áp suất đầu ra ($P_d$) 255,67 psia 525,44 psia
Tỉ số nén ($R$) 2,832 2,067
Nhiệt độ khí vào ($T_1$) 50,0 °C (323,15 K) 50,0 °C (323,15 K)
Nhiệt độ khí ra ($T_d$) 124,8 °C – 144,0 °C 118,0 °C
Năng suất nén đoạn nhiệt ($H_{isen}$) 12.398,7 m 10.145,2 m
Công suất tiêu thụ 7.291,69 HP (5.437,4 kW) 6.431,20 HP (4.795,7 kW)
Đường kính trong bình tách ($D$) 1.500 mm 1.000 mm
Chiều cao bình tách (T/T) 4.800 mm 3.200 mm
Tỉ lệ chiều cao/đường kính ($H/D$) 3,2 3,2
Đường kính Nozzle đầu vào ($N_1$) 220,95 mm 161,96 mm
Đường kính Nozzle đầu ra khí ($N_2$) 239,80 mm 187,00 mm
Đường kính Nozzle đầu ra lỏng ($N_3$) 124,10 mm 4,00 – 15,00 mm

Tiêu chuẩn động lượng thiết kế Nozzle

Các kích thước nozzle tính toán đều thỏa mãn nghiêm ngặt các tiêu chuẩn động học:

  • Nozzle đầu vào hỗn hợp: $\rho_m \cdot V_m^2 \le 8000\text{ Pa}$
  • Nozzle đầu ra pha khí: $\rho_G \cdot V_G^2 \le 4500\text{ Pa}$
  • Nozzle đầu ra pha lỏng: $V_L \le 1,0\text{ m/s}$

Đóng góp của đề tài

  1. Xây dựng thành công mô hình mô phỏng tĩnh hoàn chỉnh cho trạm máy nén khí áp suất cao trên giàn ST-PIP bằng phần mềm Aspen HYSYS v11.1, cho phép kiểm tra đường đặc tính làm việc và điều chỉnh linh hoạt các thông số công nghệ khi lưu lượng dòng thay đổi.
  2. Thiết lập quy trình tính toán kích thước chi tiết cho các bình tách lỏng-khí đứng (Scrubber) tích hợp bộ tách sương dạng tấm nghiêng (Vane pack), đáp ứng yêu cầu tách 99% giọt lỏng $\ge 10\ \mu\text{m}$ để bảo vệ cánh quạt máy nén.
  3. Cung cấp bộ thông số kích thước cơ sở cho hệ thống đường ống và cân bằng nhiệt - vật chất cho cụm thiết bị trao đổi nhiệt giải nhiệt trung gian.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đề tài mới dừng lại ở việc mô phỏng quá trình ở trạng thái tĩnh (Steady-state Simulation), chưa khảo sát các hiện tượng động học phức tạp khi khởi động, dừng khẩn cấp hoặc hiện tượng dao động áp suất/nghẹt dòng (Surge). Ngoài ra, thành phần dòng khí đầu vào được cố định theo số liệu thử vỉa ban đầu, chưa xét đến biến thiên thành phần khí theo thời gian suy giảm áp suất vỉa thực tế.
  • Hướng phát triển tiếp theo: Mở rộng xây dựng mô hình mô phỏng động học (Dynamic Simulation) trên Aspen HYSYS Dynamics để khảo sát hệ thống van điều khiển chống nghẹt dòng (Anti-Surge Control Valve); nghiên cứu tối ưu hóa nhiệt thừa từ khí xả máy nén để cung cấp nhiệt cho các quá trình công nghệ khác trên giàn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn phục vụ:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Dầu khí, Lọc – Hóa dầu, Kỹ thuật Hóa học khi thực hiện đồ án môn học Quá trình & Thiết bị, đồ án tốt nghiệp liên quan đến thiết kế trạm nén khí ngoài khơi hoặc thu gom - xử lý khí đồng hành.
  • Kỹ sư công nghệ chế biến khí quan tâm đến phương pháp thiết lập mô hình máy nén ly tâm đa cấp, kỹ thuật khai báo cấu tử giả (Hypothetical), và quy trình tính toán kích thước bình phân tách lỏng-khí theo tiêu chuẩn GPSA và API 617.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao giàn Sư Tử Trắng lựa chọn máy nén ly tâm 2 cấp thay vì máy nén piston hay máy nén trục vít?
Với yêu cầu công suất nén lớn (100 MMSCFD) và dải áp suất làm việc từ 89,8 barg lên đến 525 barg, máy nén ly tâm là thiết bị duy nhất đáp ứng tối ưu hiệu suất năng lượng trên một đơn vị thể tích, vận hành liên tục ổn định với dòng khí lớn, ít rung động và chiếm diện tích mặt sàn nhỏ hơn nhiều so với máy nén piston có cùng công suất.

2. Nhiệt độ khí trước khi vào từng cấp nén được khống chế ở mức bao nhiêu và bằng cách nào?
Dòng khí trước khi nạp vào cấp nén 1 và cấp nén 2 đều được giải nhiệt về mức tối ưu 50°C thông qua hai thiết bị làm mát Suction Cooler và Interstage Cooler (loại thiết bị trao đổi nhiệt mạch in PCHE) sử dụng môi chất làm mát là nước biển (Cooling Water).

3. Tại sao cần lắp đặt bình tách Scrubber trước mỗi cấp nén khí ly tâm?
Sau khi qua các bộ làm mát, các cấu tử hydrocarbon nặng và hơi nước trong dòng khí bị ngưng tụ thành pha lỏng. Nếu để các hạt lỏng mang động lượng cao đi vào buồng nén, chúng sẽ va đập gây xói mòn, mất cân bằng động và phá hủy cánh quạt máy nén. Suction Scrubber và Interstage Scrubber có nhiệm vụ tách bỏ 99% các hạt lỏng có kích thước $\ge 10\ \mu\text{m}$.

4. Tổng công suất tiêu thụ của hai cấp nén trên giàn ST-PIP là bao nhiêu?
Theo kết quả tính toán nhiệt động học, công suất tiêu thụ của cấp nén thứ nhất là 7.291,69 HP (khoảng 5.437,4 kW) và cấp nén thứ hai là 6.431,20 HP (khoảng 4.795,7 kW), tổng công suất yêu cầu của cả hệ thống đạt xấp xỉ 13.722,89 HP (tương đương 10.233,1 kW).

5. Vì sao sau cấp nén thứ hai không cần bố trí thêm thiết bị làm mát khí?
Nhiệt độ dòng khí sau khi ra khỏi cấp nén thứ hai đạt khoảng 118°C. Mức nhiệt độ này vẫn thấp hơn giới hạn nhiệt độ thiết kế cho phép của hệ thống đường ống và đầu giếng bơm ép khí ST-PIP (tối đa 145°C), do đó không cần lắp đặt thêm bộ làm mát thứ cấp.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành toàn diện việc tính toán thiết kế kỹ thuật và mô phỏng hệ thống máy nén khí ly tâm hai cấp phục vụ công tác tái bơm ép khí tại giàn Sư Tử Trắng (Lô 15.1). Bằng việc kết hợp giữa phương pháp giải tích theo tiêu chuẩn quốc tế API 617, GPSA và công cụ mô phỏng Aspen HYSYS v11.1, nhóm tác giả đã xác định chính xác các thông số công nghệ nhiệt động, kích thước hình học của cụm bình tách Suction/Interstage Scrubber và hệ thống ống dẫn phụ trợ. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở kỹ thuật rõ ràng, góp phần giải quyết bài toán duy trì áp suất vỉa và tối ưu hóa hiệu quả thu hồi dầu condensate trên công trình khai thác dầu khí biển.