MỞ ĐẦU Dầu khí từ lâu đã trở thành nguồn tài nguyên quan trọng của nhân loại.Tại bất kỳ quốc gia nào, xăng dầu và các chế phẩm từ dầu khí luôn được xem là thứ hàng hóa đặc biệt quan trọng, là máu huyết của nền kinh tế quốc dân và quốc phòng. Dầu khí đảm bảo cung cấp 60–65% năng lượng tiêu thụ trên thế giới và trên 90% nguyên liệu của ngành công nghiệp hóa học [1]. Nhiều công trình nghiên cứu đã được tiến hành để tìm nguồn năng lượng khác nhằm thay thế vai trò của dầu khí trong tương lai.Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa tìm được giải pháp thay thế cơ bản và dầu khí vẫn giữ vai trò chủ đạo trong lĩnh vực cung cấp năng lượng, nguyên liệu hóa học. Ở các mỏ dầu, sau một thời gian khai thác dầu tự phun, hiện tượng sụt giảm áp suất vỉa đã gây ra nhiều khó khăn cho quá trình khai thác.
Do đó, để đảm bảo sản lượng khai thác cần phải duy trì áp suất vỉa. Nhiều giải pháp đã được đề ra, trong đó phương pháp bơm ép nước vào vỉa được áp dụng rộng rãi nhất.Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp bơm ép nước đã nảy sinh vấn đề lắng đọng các loại muối vô cơ trong các giếng khai thác, đường ống. Hiện tượng lắng đọng các muối vô cơ đã làm giảm khả năng khai thác và vận chuyển dầu khí do giảm khả năng thấm của vỉa, gây tắc nghẽn giếng khai thác, các đường ống dẫn cùng hệ thống bơm hút. Có nhiều phương pháp được áp dụng nhưng trong đó, phương pháp sử dụng các hóa phẩm ức chế, cho đến nay, vẫn là phương pháp được sử dụng thường xuyên và có hiệu quả hơn cả vì nó có khả năng ngăn chặn ngay từ đầu sự lắng đọng các muối [2-6].
Những chất chống sa lắng muối thường được sử dụng hiện nay là các phosphonic hữu cơ và polymer/copolymer cacboxylate[1].Tuy nhiên, các hợp chất phosphonat thường gây ô nhiễm môi trường, các polymer/copolymer tùy có khả năng ức chế muối rất tốt nhưng khó có thể phát hiện trong vỉa khai thác[1].Những hướng nghiên cứu mới hiện nay là tổ hợp các hạt nano vô cơ với các hợp chất polymer/copolymer.Sự kết hợp ưu điểm của vật liệu nano vô cơ với vật liệu polymer sẽ giúp tăng khả năng ức chế lắng đọng muối và có thể phát hiện được trong môi trường vỉa khai thác.Được biết các hat nano từtínhFe3O4 có những tính chất ưu Việt như siêu thuận từ, diện tích bề mặt lớn và đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực như dẫn truyền thuốc đúng mục tiêu, phát hiện GVHD: PGS.TS NGUYỄN PHƢƠNG TÙNG 1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP bệnhung thư, phân tách và chọn lọc tế bào[7-18]. Do đó, nghiên cứu tổng hợp các hạt nano composite từ tính (Fe3O4-polymer) và ứng dụng làm chất ức chế chống sa lắng muối sẽ được trình bày trong luận văn này.TS NGUYỄN PHƢƠNG TÙNG 2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1. Định nghĩa ,nguyên nhân ,quá trình hình thành và phát triển lắng động 1. Định nghĩa Lắng đọng là quá trình hình thành kết tủa các muối sunfate và muối carbonate của các ion kim loại Ca2+,Ba2+ và Sr2+ xảy ra ở các giếng và đường ống khai thác dầu khí khi có sự xáo trộn giữa hai loại nước không tương hợp với nhau trong quá trình bơm ép khai thác dầu[1].
Nguyên nhân gây ra hiện tƣợng lắng đọng Nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng lắng đọng ở các giếng khai thác là do sự hình thành kết tủa của các khoáng chất trong quá trình bơm ép nước biển vào vỉa có chứa nhiều cation Ca2+, Ba2+ và Sr2+vào môi trường nước vỉa có chứa nhiều anion CO32-, SO42- dẫn đến sự bão hòa các muối canxi sulfat, canxi carbonat sinh ra kết tủa,…Hơn nữa, trong môi trường vỉa, nhiệt độ và áp suất càng gia tăng theo độ xâu trong khi các muối canxi carbonat, canxi sulfat là những chất có độ tan đão nên quá trình hình thành kết tủa, lắng động càng diễn ra mãnh liệt[1]. Ngoài ra, nước biển còn có khuynh hướng trở nên giàu và tích tụ các ion từ các sản phẩm phụ của sinh vật biển (ví dụ như vi khuẩn khử sulfat) hoặc do quá trình bay hơi nước. Thành phần của nước biển thay đổi theo độ sâu của nước; nước ở tầng sâu chứa nhiều các ion do tiếp xúc với các khoáng trầm tích. Theo nhiệt học và động học, sự lắng đọng là hiện tượng đa thông số bao gồm sự hình thành mạng tính thể ion,lượng chất rắn hòa tan và lượng chất rắn lơ lửng, độ pH và độ dẫn điện, tỉ lệ bay hơi, nhiệt độ, áp suất và tỉ lệ các khí CO2,H2S hòa tan ảnh hưởng đến pH của nước[19].
Sự lắng đọng các muối vô cơ bắt đầu diễn ra khi trạng thái của chất lỏng bị xáo trộn vượt quá giới hạn độ tan của một hay nhiều chất tan có trong nước. Độ tan của khoáng phụ thuộc phức tạp vào điều kiện nhiệt độ và áp suất. Nhìn chung, độ tan của khoáng tăng theo nhiệt độ, ở nhiệt độ cao hơn thì các khoáng sẽ hòa tan nhiều hơn. Tương tự, độ tan của khoáng cũng giảm theo sự giảm áp suất [20].
Tóm lại, nguyên nhân gây ra hiện tượng lắng đọng có thể là: GVHD: PGS.TS NGUYỄN PHƢƠNG TÙNG 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP + Sự tiếp xúc của các loại nước không tương hợp: nước vỉa và nước bơm ép trong khai thác dầu mỏ thường chứa các cấu tử không tương hợp với nhau. Nước vỉa thường chứa lượng lớn các ion HCO3-, Ca2+, Ba2+, Sr2+; trong khi nước bơm ép lại giàu các ion SO42-, Mg2+, Ca2+. Mặt khác, một số cấu tử trong hai loại nước trên ở nồng độ gần với điểm bão hòa nên khi chúng tiếp xúc với nhau sẽ gây ra hiện tượng lắng đọng muối. + Sự thay đổi điều kiện vật lý: độ tan của các khoáng thay đổi theo điều kiện nhiệt độ, áp suất.
Do vậy, khi có sự biến đổi nào đó về nhiệt độ và áp suất của môi trường có thể làm tăng hay giảm độ tan của một hay vài cấu tử trong dung dịch. Trong trường hợp giảm độ tan, hiện tượng lắng đọng sẽ xảy ra. + Sự sụt giảm áp suất khí riêng phần của CO2, H2S làm giảm độ hòa tan của các khí này trong nước dẫn đến pH của môi trường tăng; do đó làm giảm độ tan của các khoáng carbonate. Quá trình phát triển lắng đọng Mặc dù,về mặt nhiệt động hóa học, chất lắng đọng sẽ hình thành khi nồng độ của các cấu tử trong dung dịch vượt quá nồng độ bão hòa của nó tại những điều kiện nhất định.
Tuy nhiên,thực tế cho thấy nhiều loại nước đã quá bão hòa với các cấu tử tạo lắng đọng nhưng vẫn không có hiện tượng lắng đọng xảy ra. Để hiện tượng lắng đọng xảy ra thì nó phải phát triển từ dung dịch. Quá trình hình thành lắng đọng được chia làm hai giai đoạn: giai đoạn tạo mầm và giai đoạn phát triển mầm thành tính thể. Giai đoạn tạo mầm được chia làm hai loại: tạo mầm đồng thể và tạo mầm dị thể [1].
Quá trình phát triển mầm đồng thể.TS NGUYỄN PHƢƠNG TÙNG 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 1. Quá trình phát triển mầm đồng thể Đầu tiên các ion trong dung dịch bão hòa sẽ kết hợp với nhau tạo thành các cặp ion không bền. Các đám nguyên tử tạo nên các hạt mầm tính thể do sự biến đổi cân bằng của nồng độ các ion trong dung dịch quá bão hòa. Kế đến các ion trong dung dịch sẽ hấp phụ lên các vị trí chưa hoàn chỉnh trên bề mặt mầm, làm tăng kích thước của mầm.
Năng lượng cho quá trình phát triển mầm này được cung cấp bởi sự giảm năng lượng tự do của bề mặt mầm. Năng lượng bề mặt này sẽ giảm nhanh theo sự gia tăng kích thước mầm khi kích thước của mầm vượt qua ngưỡng bán kính tới hạn. Điều này có nghĩa là các mầm tính thể lớn sẽ được ưu tiên phát triển, trong khi đó, các mầm nhỏ có thể hòa tan trở lại. Với độ quá bão hòa đủ lớn, bất kỳ mầm tính thể nào hình thành cũng được phát triển tiếp thành tính thể và tạo thành chất lắng đọng (hình 1).
Trong trường hợp này, mầm tính thể đóng vai trò là tác nhân xúc tác cho quá trình hình thành lắng đọng. Ngoài ra, tính thể muối cũng có thể phát triển từ pha rắn đã có sẵn trong dung dịch. Quá trình đó được gọi là quá trình phát triển mầm dị thể [20]. Quá trình phát triển mầm dị thể Trong trường hợp này, các ion trong dung dịch bão hòa sẽ hấp phụ lên bề mặt pha rắn đã có sẵn trong dung dịch.
Pha rắn thứ hai này có thể là các tính thể đã có sẵn, các hạt bụi hay khuyết tật của bề mặt những chỗ gồ ghề trong đường ống khai thác, chỗ nối giữa các đường ống. Sự có mặt của pha rắn thứ hai này làm giảm năng lượng hoạt hóa cho quá trình hình thành lắng đọng (hình 1. Ngoài ra, sự khuấy trộn cao cũng xúc tác cho quá trình hình thành lắng đọng. Do đó, quá trình tích tụ lắng đọng có thể xảy ra tại những vị trí có sự khuấy động cao trong các hệ chảy [1].
Quá trình phát triển mầm dị thể.TS NGUYỄN PHƢƠNG TÙNG 5 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Dựa trên những hiểu biết về quá trình hình thành và phát triển của tính thể muối, nhiều loại chất ức chế (sẽ trình bày ở phần sau) đã được thiết kế với cấu trúc đặc biệt có khả năng “đầu độc” quá trình hình thành, phát triển mầm tính thể và làm giảm vận tốc hình thành lắng đọng đến giá trị hầu như bằng 0 [1]. Các biện pháp xử lý và ức chế hiện tƣợng lắng đọng trong khai thác dầu khí 1. Phƣơng pháp xử lý lắng đọng Xử lý chất lắng đọng đòi hỏi phải nhanh, không làm thương tổn giếng, hệ thống đường ống, môi trường vỉa, đồng thời phải hiệu quả trong việc ngăn chặn hiện tượng tái lắng đọng. Kỹ thuật xử lý lắng đọng hiệu quả nhất phụ thuộc vào sự hiểu biết về loại, lượng, thành phần và kết cấu của chất lắng đọng.
Việc lựa chọn kỹ thuật xử lý không phù hợp sẽ làm cho hiện tượng lắng đọng xuất hiện trở lại nhanh hơn. Đối với lắng đọng trong các đường ống, độ bền và kết cấu của chất lắng đọng có vai trò quyết định quan trọng trong việc lựa chọn kỹ thuật xử lý chúng. Độ bền và kết cấu của lắng đọng rất đa dạng, có thể là các dạng mảnh, giòn hay các tính thể có độ rỗng cao hoặc có dạng lớp lắng đọng dày, cứng với độ rỗng và độ thấm kém. Ngoài ra, độ tính khiết của lắng đọng cũng ảnh hưởng đến biện pháp xử lý chúng.