• Happy

Xói Mòn Trong Hệ Thống Piping: Cơ Chế và Giải Pháp

Xin chào các độc giả của Pipingdesigner.

Hôm nay mình sẽ giới thiệu với các bạn một quá trình không mong muốn nhưng thường xảy ra trong hệ thống đường ống trong Oil & Gas production, đó là quá trình xói mòn (tiếng anh là Erosion).

Tương tự như hậu quả gây ra bởi quá trình ăn mòn (Corrosion), xói mòn cũng sẽ làm giảm chiều dày (wall thickness) đường ống, fitting và gây ra các vết nứt, lỗ hổng ngay trên đường ống. Tuy nhiên, cơ chế của ăn mòn và xói mòn là hoàn toàn khác nhau, mình sẽ giới thiệu với các bạn về ăn mòn đường ống ở bài viết sau. Còn bài viết này, mình chỉ đề cập tới xói mòn trong hệ thống piping.

Nội dung bài viết gồm:

1. Giới thiệu

2. Quá trình xói mòn trong quá trình khai thác dầu khí

3. Xói mòn do hạt rắn (Particulate erosion)

3.1 Lưu lượng cát được vận chuyển trong hệ thống piping

3.2 Vận tốc, độ nhớt và tỉ trọng của lưu chất

3.3 Kích thước, hình dạng và độ cứng của hạt

4. Xói mòn xảy ra ở Elbow

5. Các giải pháp

5.1 Giảm lưu lượng khai thác

5.2 Thiết kế hệ thống piping tối ưu

5.3 Sử dụng các thiết bị loại trừ và tách cát

5.4 Sử dụng các thiết bị giám sát (Sand monitor)


1. Giới thiệu Xói mòn là một quá trình phức tạp bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố và những thay đổi nhỏ trong điều kiện hoạt động có thể ảnh hưởng đáng kể tới quá trình xói mòn và gây ra những hậu quả lớn. Điều này dẫn tới một thực tế là xói mòn có thể xảy ra với tốc độ nhanh trong hệ thống khai thác này nhưng lại có tốc độ rất chậm trong một hệ thống khai thác tương tự. Việc phát hiện xói mòn khi nó đang tiến triển trong hệ thống đường ống cũng rất khó khăn và các nhà điều hành (plant operator) cũng hiếm khi có thông số đo lường tình trạng bên trong hệ thống đường ống.

Hình 1: Xói Mòn Elbow

2. Quá trình xói mòn trong quá trình khai thác dầu khí

Lưu chất trong một giếng khai thác dầu khí là hỗn hợp nhiều pha của nhiều cấu tử khác nhau:

- Hydrocarbon ở dạng lỏng: dầu, condensate, bitumen

- Hydrocarbon ở dạng rắn: wax, hydrate

- Hydrocarbon ở dạng khí

- Các chất khí khác: H2S, CO2, Nitrogen

- Nước (có muối hòa tan)

- Cát và proppant (đây là một loại cát hoặc vật liệu tương tự như cát được sử dụng trong quá trình nứt vỉa thủy lực – Hydraulic fracturing, để giữ cho các khe nứt ở vỉa luôn mở để dầu và khí có thể đi vào giếng)

Các cơ chế có khả năng gây ra xói mòn gồm có:

- Xói mòn do hạt rắn (Particulate erosion)

- Xói mòn do giọt chất lỏng (Liquid droplet erosion): được quan sát thấy trong hệ wet gas và dòng nhiều pha nơi mà các giọt lỏng có thể được hình thành.

- Xói mòn do ăn mòn (Erosion – Corrosion): là quá trình xảy ra xói mòn khi có dung dịch ăn mòn hoặc có thành phần kim loại di chuyển trong dung dịch.

- Xâm thực (Cavitation)

Trong các cơ chế kể trên, xói mòn do hạt rắn là cơ chế phổ biến nhất gây ra xói mòn trong hệ thống piping trong công nghiệp dầu khí, do đó bài viết này chỉ tập trung vào mô tả quá trình xói mòn do hạt rắn. Tuy nhiên, các cơ chế còn lại đều có thể trở thành tác nhân chính nếu gặp những điều kiện thích hợp.

Cho dù cơ chế xói mòn là gì, các bộ phận dễ bị tổn thương nhất trong hệ thống piping có xu hướng là các thành phần trong đó:

- Hướng dòng chảy thay đổi đột ngột

- Vận tốc dòng chảy cao do lưu lượng thể tích cao

- Vận tốc dòng chảy cao do bị hạn chế tiết diện

Các thành phần và đường ống ở upstream của Separator vận chuyển dòng nhiều pha chứa nhiều thành phần khí, lỏng và rắn thường sẽ bị xói mòn do hạt rắn, xói mòn do ăn mòn và xói mòn do giọt chất lỏng. Mức độ ăn mòn của các thành phần và đường ống này phụ thuộc nhiều vào thiết kế và điều kiện hoạt động của chúng. Tuy nhiên bỏ qua thiết kế và điều kiện hoạt động, danh sách dưới đây thường được xem như một hướng dẫn sơ bộ để xác định các thành phần dễ bị xói mòn nhất:

- Choke valve

- Nơi có tiết diện giảm đột ngột

- Các valve đóng một phần, check valve và các valve không phải loại full bore

- Elbow

- Mối hàn và pipe bore không khớp với tiết diện flange

- Reducer

- Target Tee

- Straight pipe

3. Xói mòn do hạt rắn (Particulate erosion)

Cơ chế xói mòn này đã được nghiên cứu và hiểu rõ do đó chúng ta cung đã xây dựng được công cụ có thể dự đoán được tốc độ xói mòn.

Các yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ xói mòn do hạt rắn này gồm có:

- Lưu lượng cát được vận chuyển trong hệ thống piping

- Vận tốc, độ nhớt và tỉ trọng của lưu chất

- Kích thước, hình dạng và độ cứng của hạt

3.1 Lưu lượng cát được vận chuyển trong hệ thống piping

Thông thường, một giếng mới được đưa vào khai thác sẽ tạo ra một lượng lớn cát và proppant (proppant này được sử dụng trong quá trình nứt vỉa tạo khe nứt). Sau đó, lượng cát tạo mới được giữ ổn định ở mức thấp trước khi tăng trở lại khi giếng đã “có tuổi” và tình trạng vỉa xấu đi. Đường ống vận chuyển khí thường sẽ dễ xảy ra xói mòn hơn đường ống vận chuyển chất lỏng do lưu chất trong đường ống khí có vận tốc cao hơn (>10 m/s). Trong hệ thống wet gas, cát cũng có thể được tập hợp tại pha lỏng, truyền đi trong đường ống và gây xói mòn, đặc biệt đối với hệ thống xảy ra slugging có thể làm tăng tốc độ xói mòn. Ngoài ra, nếu dòng lưu chất chuyển động không ổn định, lúc lưu lượng cao, lúc lưu lượng thấp có thể làm cho cát tích lũy khi lưu lượng dòng thấp, sau đó chúng được đẩy đi khi mà lưu lượng tăng trở lại. Cơ chế này làm tăng nồng độ cát trong lưu chất và tăng tốc độ xói mòn cục bộ trong hệ thống đường ống.

3.2 Vận tốc, độ nhớt và tỉ trọng của lưu chất

Tốc độ xói mòn phụ thuộc lớn vào vận tốc va chạm của các hạt và thường vận tốc va chạm này sẽ gần bằng vận tốc lưu chất trong hệ thống đường ống. Do đó, xói mòn sẽ xảy ra với tốc độ lớn nhất nếu vận tốc dung dịch đạt lớn nhất. Một thay đổi nhỏ trong vật tốc lưu chất có thể gây ra sự gia tăng đáng kể tốc độ xói mòn.

Trong lưu chất có độ nhớt cao, các hạt có xu hướng bị cuốn theo dòng chảy hơn là va chạm vào thành ống. Ngược lại, lưu chất có độ nhớt thấp, các hạt có xu hướng di chuyển theo đường thẳng kể cả khi lưu chất thay đổi hướng, do đó các hạt sẽ va chạm với thành ống nhiều hơn. Do đó, xói mòn do hạt rắn có nhiều khả năng xảy ra hơn trong các dòng khí, một phần là do khí có độ nhớt và tỉ trọng thấp và một phần là do các hệ thống khí hoạt động với vận tốc cao hơn.

3.3 Kích thước, hình dạng và độ cứng của hạt

Kích thước của hạt ảnh hưởng tới tốc độ xói mòn bởi nó quyết định số lượng hạt va chạm vào đường ống. Đối với các hạt rất nhỏ (cỡ 10 micron, 1 microns = 10-3 mm), chúng ít khi va chạm vào đường ống. Ngược lại, các hạt có kích thước lớn (từ 1mm trở lên) có xu hướng di chuyển theo đường thẳng và va chạm với đường ống khi dòng lưu chất đổi hướng.

Đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới chỉ ra rằng, các hạt có độ cứng cao gây ra xói mòn lớn hơn so với các hạt có độ cứng thấp. Ngoài ra, các hạt có hình dạng góc cạnh cũng sẽ gây ra xói mòn lớn hơn so với các hạt tròn.

4. Xói mòn xảy ra ở Elbow

Hình 2: Mô tả đường di chuyển của các hạt có kích thước và khối lượng khác nhau qua elbow

Hình 2 cũng có thể đại diện cho trường hợp hạt có kích thước cố định trong lưu chất có đặc tính khác nhau. Hình 2.a có thể đại diện cho hạt trong chất lỏng có độ nhớt cao, đậm đặc và hình 2.c đại diện cho hạt trong môi trường có độ nhớt thấp, mật độ thấp.

Hình 3: Xói mòn ở elbow

Hình 3 mô tả các khu vực có thể xảy ra xói mòn bên trong elbow. Chúng ta có thể thấy rằng, tại vị trí lưu chất đổi hướng sẽ là khu vực bị xói mòn chính. Ngoài ra, còn tồn tại một số vùng xói mòn thứ cấp xảy ra do lưu chất chảy rối sau đó. Việc xói mòn elbow có thể gây ra tổn thất kinh tế to lớn vì phải thay thế elbow thường xuyên.

Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng Target tee (hay có thể gọi là Blind tee hay Cushion tee), chúng ta có thể xem Target tee là elbow 90o + nhánh blind end. Target tee có thể tạo thành một “sand plug” tại nhánh blind end (hay dead leg) của tee. Khi các hạt rắn di chuyển tới tee, chúng có xu hướng va chạm với sand plug thay vì thành của tee, do đó xói mòn bị giảm đáng kể. Tuy nhiên, plug này cũng ngăn chặn các chất ức chế ăn mòn tiếp xúc được với tee do đó ăn mòn điện hóa có thể gia tăng. Ngoài ra, phần dead leg của target tee được thiết kế với một lớp vật liệu mềm (thường là chì) để hấp thụ năng lượng từ các tác động của hạt rắn.

Hình 4: Target tee

5. Các giải pháp

Dưới đây, mình liệt kê một số cách thức được dùng để hạn chế xói mòn trong hệ thống piping gồm:

5.1 Giảm lưu lượng khai thác

Phương pháp này giúp giảm đồng thời cả lượng cát được sinh ra và di chuyển vào lòng giếng cũng như là làm giảm vận tốc dòng trong hệ thống piping. Tuy nhiên, phương pháp này ảnh hưởng lớn tới tính kinh tế của dự án khai thác dầu khí.

5.2 Thiết kế hệ thống piping tối ưu

Piping nên được thiết kế để làm giảm vận tốc dòng và tránh thay đổi hướng đột ngột (ví dụ như tại elbow, reduce bore valve,…). Việc sử dụng full bore valve và target tee (thay cho elbow) có thể làm giảm xói mòn. Slug flow có thể gây xói mòn, do đó cần thiết kế các thiết bị slug catcher và drain hợp lý để loại bỏ slug trong lưu chất.

Thông thường, các loại ống dày thường được sử dụng để tăng tuổi thọ của hệ thống piping. Tuy nhiên, chúng ta cần lưu ý rằng khi tăng wall thickness, đường kính trong của ống sẽ giảm, làm cho vận tốc dòng tăng, dẫn tới tốc độ xói mòn tăng, đặc biệt là đối với các ống kích thước nhỏ.

5.3 Sử dụng các thiết bị loại trừ và tách cát

Các thiết bị như downhold sand screen và gravel pack thường được sử dụng để ngăn chặn cát đi vào giếng khai thác. Tuy nhiên các thiết bị này làm tăng sức cản dòng chảy vào giếng và do đó ảnh hưởng đến năng suất khai thác của giếng.

Để bảo vệ hệ thống piping ở downstream wellhead, chúng ta có thể sử dụng Hydrocyclone và các loại desander khác. Cũng giống như các thiết bị ngăn chặn cát đi vào lòng giếng, việc sử dụng các thiết bị tách cát có thể tác động tiêu cực tới tính kinh tế. Nó cũng làm tăng số lượng đường ống và do đó làm tăng sự tiếp xúc của hệ thống piping với các vấn đề xói mòn.

5.4 Sử dụng các thiết bị giám sát (Sand monitor)

Một số thiết bị sand monitor được sử dụng ở downhole trong các production tubing (ống khai thác). Tuy nhiên, thông thường các thiết bị sand monitor được đặt ở topside, gồm 2 loại chính: - Loại Insertion sand probe: loại này sử dụng đầu thăm dò xuyên qua thành ống để tiếp xúc trực tiếp với dòng lưu chất.

Hình 5: Insertion Sand probe

- Loại Clamped sand probe: đây là thiết bị không xâm nhập được kẹp vào thành ống.

Hình 6: Clamped Sand probe

Như vậy, qua bài này mình đã giới thiệu tới các bạn về quá trình xói mòn trong hệ thống piping.

Chúc các bạn cuối tuần vui vẻ, hẹn gặp các bạn ở các bài viết sau!