(H2N2)-Hydrat còn gọi là hydrat khí, hydrat metan hoặc clathrat. Hydrat là nguồn hydrocacbon tiềm năng, trữ lượng của nó có thể vượt trữ lượng khí thiên nhiên truyền thống. Theo một số chuyên gia ngành năng lượng thì hydrat là nguyên nhân tạo ra các nút, lấp bít đường ống dẫn khí, ống bơm ép.
Hydrat có các phần tử cấu trúc chủ yếu là ô mạng tinh thể kết tinh từ các phân tử nước, bên trong của nó chứa phân tử khí. Các ô tạo thành mạng tinh thể chặt sít. Cấu trúc của hydrat giống như cấu trúc của băng, nhưng khác là các phân tử khí nằm trong các ô tinh thể, và giữa chúng không có liên kết nào. Nhìn bên ngoài hydrat giống như băng, và dùng que diêm đốt thì hydrat cháy.
Các kỹ sư dầu khí cho biết từ năm 1930, khi vận chuyển dầu thô hoặc khí theo đường ống áp lực với nhiệt độ môi trường xung quanh thấp có thể thành tạo hydrat, gây lấp bít đường ống trên mặt đất ở Kazatstan. Trong những năm gần đây nhiều chuyên gia đã nỗ lực tìm ra phương hướng ngăn ngừa sự hình thành hydrat và xử lý hydrat.
Ở mọi nơi, đâu có sự tiếp xúc giữa khí thiên nhiên với nước thì ở đó các công ty dầu khí có lý do để không yên tâm. Hydrat làm cản trở dòng dầu và khí, gây ra sự phức tạp trong quá trình thi công và hoàn thiện giếng có trạng bị đầu giếng ngầm dưới biển và ảnh hưởng xấu đến tính ổn định của giàn khoan biển.
Việc phá vỡ nút hydrat sẽ gây nhiều hậu quả nghiêm trọng. Trong đường ống áp lực thấp khi nút hydrat bị phá vỡ, chúng có thể di chuyển với vận tốc lớn, phá hủy đường ống và gây thương tích cho nhân viên phục vụ. Để ngăn ngừa hydrat bít đường ống có thể sử dụng phương pháp nung nóng, nhưng tốt nhất là thu hồi hơi nước trước khi nén hydrocacbon. Các nhà điều hành làm việc trong vùng nước sâu có thể gặp phải hiện tượng hydrat khí tự nhiên chảy vào giếng đang khoan. Nếu như lượng hydrat lớn, chúng có thể làm cho trong giếng áp suất bị giảm, từ đó làm mất kiểm soát giếng khoan. Ngoài ra, sự tuần hoàn dung dịch nóng trong giếng có thể làm tăng nhiệt độ đất đá quanh giếng, có chứa hydrat khí. Hydrat tan ra khi nhiệt độ cao có thể dẫn sự mất ổn định tầng đất đá trầm tích trong giếng khoan.
Sự tỏa nhiệt khi xi măng ngưng kết cũng có thể gây ra sự mất ổn định đất đá chứa hydrat. Ngăn ngừa sự phân hủy hydrat trong điều kiện này có thể sử dung ximăng chuyên dụng, có tính tỏa nhiệt thấp.
Một vấn đề nghiêm trọng khác đe dọa sự mất kiểm soát giếng trong vùng nước sâu, là khả năng hình thành hydrat rắn trong giếng khi pha trộn chất lỏng. Sự hình thành hydrat có thể xảy ra khi tiếp xúc khí xâm nhập vào giếng với pha nước của dung dịch khoan gốc nước hoặc với muối là một phần của dung dịch gốc dầu hoặc gốc tổng hợp, trong vùng áp suất thủy tĩnh cao và nhiệt độ thấp ở đáy biến. Sự tạo hydrat sẽ làm bít hệ thống đường ống tiết lưu, đường ống dập giếng và cum kết nối các đối áp chống phun, gây khó khăn cho việc điều chỉnh áp suất trong giếng, do cột cần khoan di chuyển khó khăn và suy giảm chất lượng dung dịch khoan do nước tách khỏi của dung dịch. Sự phức tạp thường gặp nhất với đường ống tiết lưu, đường ống dập giếng và kết nối các đối áp, bởi vì những bộ phận này được bố trí tại những vị trí có nhiệt độ thấp nhất và thường làm lanh nhanh sau khi ngưng tuần hoàn.
Hydrat cũng có ảnh hưởng đến thi công các giếng khoan trên biển có đầu giếng ngầm. Do vậy, để tránh tạo hydrat khi hoàn thiện giếng đầu giếng ngầm và khi thả dụng cụ khoan và dụng cụ đo vào giếng có thể sử dụng đường ống bơm chất ức chế trong các hệ thống đầu giếng ngầm. Cũng có thể gặp trường hợp hydrat bít đường bơm ra, chủ yếu khi đường ống bơm có chiều dài lớn.
Tại một số vùng khai thác dầu và khí thường xuất hiện các nguy hiểm và phức tạp có liên quan đến sự hiện diện hydrat tự nhiên. Một trong những vùng đặc biệt nguy hiểm là biển Caspi, tại đây có tích tụ tầng trầm tích dày và vận tốc tích tụ trầm tích cao. Áp suất dị thường và áp suất vỉa rất cao là nguyên nhân hoạt động của núi lửa. Những khối đá xốp, nước và khí, chúng nâng lên và xâm nhập vào tầng trầm tích. Xỉ, nước và khí thoát ra từ diapia qua núi lửa bùn. Trong thời gian phun trào núi lửa bùn có thể thoát ra hàng chục triệu mét khối metan. Nước có nhiệt độ thấp trong điều kiện áp suất cao sẽ tạo ra hydrat.
Ngăn ngừa sự hình thành hydrat đơn giản và rẻ hơn so với khắc phục hydrat đã hình thành và tích tụ, đặc biệt trong đường ống dẫn khí có đường kính lớn hoặc nếu nút hydrat hoàn toàn bít kín tiết diện đường ống dẫn khí.
Các phương pháp khắc phục sự hình thành hydrat có thể chia ra làm ba nhóm: 1) Giảm áp suất dưới áp suất phân hủy; 2) Đun nóng khí đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phân hủy; 3) Đưa chất ức chế vào dòng khí .
Các phương pháp chính để ngăn ngừa tạo hydrat chia thành các nhóm: 1) Đưa chất ức chế vào dòng khí; 2) Sấy khô khí khỏi hơi nước; 3) Duy trì nhiệt độ khí trên nhiệt độ tạo thành hydrat; 4) Duy trì áp suất trong đường ống dẫn khí dưới áp suất tạo thành hydrat.
Cũng có những phương pháp sử dụng để ngăn ngừa tích tụ hydrat hình thành trong đường ống và thiết bị. Bản chất của chúng là tạo ra một màng kỵ nước trên mặt ống hoặc thiết bị
Đương nhiên là, nung nóng khí, giảm áp suất và đưa chất ức chế có thể sử dụng đề ngăn ngừa cũng như để khắc phục hydrat thành tạo. Hoặc, sấy khô sâu cũng có thể dùng để khắc phục hydrat hình thành. Nhưng quá trình này cực kỳ chậm và không thể sử dụng để khắc phục hình thành hydrat.
1. Phương pháp giảm áp suất. Đây là phương pháp duy trì áp suất dưới áp suất hình thành hydrat – khi ngăn ngừa hydrat, và dưới áp suất phân hủy – khi phá hủy hydrat thành tạo. Phương pháp giảm áp suất sử dụng rộng rãi để khắc phục hydrat tạo thành trong giếng khoan, trong các tuyến đường ống dẫn khí, ở đây nhiệt độ do phân hủy hydrat không dưới 0oC. Phương pháp giảm áp suất cho hiệu quả tốt chỉ trong các điều kiện, khi hydrat phân hủy trong điều kiện nhiệt độ dương, trong trường hợp ngược lại, nước tạo thành hydrat khi phân hủy sẽ chuyển thành băng đá.
Kết quả tốt nhất đối với phương pháp giảm áp suất là phối hợp với việc đưa chất rươu-ức chế, chúng chuyển nước từ hydrat thành dung dịch với nhiệt độ đóng băng thấp và bản than cho phép khắc phục các nút hydrat cả khi nhiệt độ âm.
Phương pháp giảm áp suất cũng là giải pháp tạm thời có thể dùng để ngăn ngừa hydrat. Phương pháp giảm áp suất có thể dùng khi gặp sự cố để phân hủy hydrat trong ống dẫn khí, bằng cách duy trì áp suất trong thời gian ngắn dưới áp suất phân hủy hydrat, và muốn vậy thì nhiệt độ không dưới 0 oC.
2. Tăng nhiệt độ khí. Ngăn ngừa sự hình thành hydrat bằng phương pháp tăng nhiệt độ khí, bao gồm khi duy trì áp suất trong đường ống dẫn khí thì nhiệt độ khí được được duy trì trên nhiệt độ cân bằng hình thành hydrat. Duy trì nhiệt độ khí trên nhiệt độ hình thành hydrat bằng cách nung nóng dòng khí đến điểm hình thành khả năng hydrat, cũng như thay đổi cường độ dòng khí, chuyển dịch vị trí giảm áp khí, v.v…
Phương pháp nung nóng sử dụng trên các tuyến đường ống dẫn khí chiều dài không lớn, cũng như trong các mạng lưới chứa khí. Nung nóng khí có hiệu quả, khi hydrat được hình thành do sự giảm áp khí cục bộ, và nhiệt độ làm việc trong đường ống dẫn khí vượt nhiệt độ cân bằng hình thành hydrat.
3. Đưa chất ức chế-điện phân. Phương pháp đưa chất ức chế vào dòng khí có hiệu quả nhất khi hình thành hydrat tại vùng cận vỉa, trong than giếng và thường thường để ngăn ngừa hydrat trong hệ thông thu gom và chuẩn bị khí cho việc vận chuyển đi xa
Những yêu cầu chính đối với chất ức chế hình thành hydrat là:
– Giảm tối đa nhiệt độ hình thành hydrat;
– Không tham gia phản ứng với các thành phân dòng khí-chất lỏng và lắng đọng;
– Không tăng tính độc của khí và sản phẩm của chúng khi cháy;
– Hoàn toàn hòa tan trong nước và dễ dàng tái sinh;
-Có độ nhớt thấp và tính đàn hồi của khí;
– Dễ tìm và giá thành thấp
– Nhiệt độ đóng băng thấp.
Trong thực tế thường sử dụng rộng rãi chất làm ức chế hình thành hydrat là các chất điện phân, rượu và glycol và các hóa chất đưa vào dòng, có thể giảm lượng nước tự do. Khi chiều sâu nước dưới 305 m có thể sử dụng tuần hoàn dung dịch, duy trì nhiệt độ cao trên miệng giếng khoan, nhưng mà trong những vùng nước sâu hơn điều đó ít hữu ích. Còn một phương pháp khác là bơm chất lỏng đun nóng. Cũng có thể giúp giảm mật độ dung dịch khoan đến mức tối thiểu, cho phép về sự hiểu biết công nghệ, cho phép giảm áp suất trong vùng có khả năng tạo hydrat.
4. Sấy khô khí thiên nhiên. Đây là phương cơ bản để ngăn ngừa sự hình thành hydrat trong tuyến đường ống dẫn khí. Có nhiều sơ đồ công nghệ sấy khô khí thiên nhiên dựa trên các phương pháp sấy khô khác nhau.
– Phương pháp lý-hóa: Sử dụng khả năng của một số chất lỏng và chất rắn hấp thu hơi nước từ khí, hấp thụ khí bằng chất lỏng (hấp thụ) và bằng chất hút rắn (hấp phụ).
– Vật lý: Làm mát dòng khí nhờ sử dụng năng lượng tự nhiên của khí hoặc nhờ dòng nhiệt bổ sung từ bên ngoài;
– Hóa học: Phản ứng hóa học giữa các phân tử nước và các chất khác nhau. Phương pháp này thực tế hoàn toàn thu hồi hơi nước từ trong dòng khí, nhưng không sử dụng khi khối lượng khí lớn do quá trình tái sinh các hóa phẩm này có phần phức tạp; nó được sử dụng trong nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.
Còn nữa…
Quang Hoài – Hội Công nghệ Khoan – Khai thác Việt Nam
Nguồn Viện CN Khoan
