Bài giảng công nghệ khí (ths hoàng trọng quang) chương 1

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN

GVGD: ThS. Hoàng Trọng Quang
GVTG: ThS. Hà Quốc Việt


NỘI DUNG
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

GIỚI THIỆU
NGUỒN GỐC KHÍ THIÊN NHIÊN
THÀNH PHẦN CỦA KHÍ THIÊN NHIÊN
PHÂN LOẠI KHÍ THIÊN NHIÊN
MỤC ĐÍCH XỬ LÝ
SẢN PHẨM CỦA KHÍ THIÊN NHIÊN
QUI CÁCH SẢN PHẨM KHÍ THIÊN NHIÊN
11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

2


GIỚI THIỆU
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Khí thiên nhiên là một dạng năng lượng hóa thạch không màu, không mùi, thành

phần chủ yếu là metan, thành phần phụ gồm Etan, Propane, Butan, CO2, H2S…
Khí thiên nhiên cháy trong môi trường không khí và sinh nhiệt. Tuỳ thuộc vào thành
phần của hỗn hợp khí thiên nhiên mà giá trị nhiệt lượng khí cung cấp từ 700Btu/scf
đến 1600Btu/scf.
Nguồn nhiên liệu & nguyên liệu lý tưởng cho:
Sinh hoạt: nấu ăn, sưởi ấm, đun nước
Công nghiệp: nhiên liệu và nguyên liệu cho các nhà máy, quá trình xử lý và chế
biến thực thẩm, sấy khô,
Nguồn năng lượng: các nhà máy điện, tuabin...
Nhiên liệu cho các phương tiện vân chuyển: xe tải, xe bus.
So với nhiên liệu hoá thạch khác thì khí thiên thiên nhiên ít gây ô nhiễm hơn (Bảng 1).

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

3


TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHIỆP KHÍ THIÊN NHIÊN
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

11/14/2013

Hình 1: Sơ bộ về công nghiệp dầu khí (Adapted from Canon, 1993)

4

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHIỆP KHÍ THIÊN NHIÊN
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Hình 2: Ngành công nghiệp khí thiên nhiên
11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

5


CÁC DẠNG SỬ DỤNG
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Hình 3

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

6


MỨC ĐỘ GÂY Ô NHIỄM
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Bảng 1

11/14/2013

7


CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG SƠ CẤP
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

HÌNH 4:

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

8


TRỮ LƯỢNG KHÍ CỦA CÁC NƯỚC HÀNG ĐẦU
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

HÌNH 5:
11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

9

SẢN LƯỢNG KHAI THÁC KHÍ VÀ TRỮ LƯỢNG THEO KHU VỰC
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Bảng 2:

11/14/2013

10


MỨC TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG TOÀN CẦU ĐẾN NĂM 2020
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

HÌNH 6:
11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

11


NGUỒN GỐC KHÍ THIÊN NHIÊN
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Khí thiên nhiên được hình thành từ sự phân hủy xác của động vật và
thực vật và được giữ lại trong lỗ rỗng ở những tầng chứa sâu hoặc từ

các mỏ khí than sâu hơn 3000ft (coal-bed methane)
Khí thiên nhiên thường phân làm 03 loại:
Khí đồng hành (associated gas) hoà tan trong dầu và khai thác
cùng với dầu thô, được tách tại đầu giếng.
Khí không đồng hành (nonassociated gas) khai thác trực tiếp từ
các vỉa khí.
Khí condensat: có hàm lượng HC lỏng cao khi áp suất và nhiệt độ
giảm.
Phân loại giếng: giếng khí là giếng có tỷ số khí dầu (GOR) > 100.000
SCF/STB; Giếng condensate: 5000 ≤ GOR ≤ 100000 SCF/STB;
Giếng dầu: GOR < 5000 SCF/STB
11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

12


THÀNH PHẦN CỦA KHÍ THIÊN NHIÊN
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Khí thiên nhiên là một sự pha trộn phức tạp của những thành
phần HC và non-HC và tồn tại ở dạng khí trong điều kiện khí
quyển.
Thực tế có hàng trăm thành phần khác nhau, có tỉ lệ thay đổi
hiện diện trong khí thiên nhiên, ngay cả hai giếng khai thác
trong 1 vỉa có thể có thành phần khác nhau (điều kiện thành tạo,
địa tầng…).
Tuy nhiên, phần lớn khí thiên nhiên có thành phần chính là HC

paraffin với một lượng nhỏ olefin HC, naphthenic HC và những
thành phần non-HC.
Những thành phần non-HC cần phải xử lý trước khi vận chuyển
và sử dụng (Nước, CO2, H2S, N2, O2, Sulfur, Thuỷ ngân, phóng
xạ tự nhiên,...)
11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

13


Thành phần Hydrocacbon
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Methane (CH4 hoặc C1): thành phần chính trong hỗn hợp
Ethane (C2H6 hoặc C2): thành phần nhiều thứ 02 trong hỗn hợp, nhiệt
đốt nóng cao hơn methane (1769 BTU’s/SCF –so với 1010
BTU’s/SCF hoặc 66.0 MJ/m3 so với 37.7 MJ/m3).
Propane (C3H8 hoặc C3): thành phần quan trọng của khí đường ống
(tỷ lệ càng cao trong khí thì hiệu quả kinh tế càng lớn).
Isobutane (iC1.~H10 hoặc iC4): chiết xuất thành pha lỏng và thường sử
dụng để sản xuất nhiên liệu có hàm lượng octane cao (alkylate).
nButane (nC4H10 hoặc nC4): chiết xuất thành pha lỏng và thường sử
dụng như là tác nhân pha trộn trong nhiên liệu động cơ môto
Pentanes và thành phần nặng hơn (C5H12 hoặc C5+): tỷ lệ rất nhỏ,
thành phần chính trong condensat.

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

14


Thành phần Non Hydrocacbon
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Nitrogen (N2): khí trơ, biểu hiện hàm lượng helium cao trong khí
Hydrogen Sulphide (H2S): nguyên nhân gây chua trong khí, độc, nguy
hiểm, cần xử lý để giảm xuống 0.25 grain (0.4 ppm) hoặc 1 grain (16
ppm) trên 100ft3 khí đường ống (6 mg/in3 or 23 mg/m3)
Carbon Dioxide (CO2): là một loại khí axít như H2S, không có giá trị
đốt cháy, tỷ lệ cho phép trong vận chuyển là dưới 2%.
Carbonyl Sulphide (COS): thường xuất hiện cùng với H2S và được xử
lý như H2S.
Hàm lượng nước: nước tự do trong khí là nguyên nhân hình thành
hydrat. 14lbs H2O/MMSCF = dewpoint +18°F (-9°C). Ở điều kiện
đường ống được chôn thì dewpoint +25°F( -14°C).

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

15


TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN

Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Ta biết rằng các hydrocacbon nặng hơn có trong những khí này có thể
thu hồi dưới dạng chất lỏng. Lượng chất lỏng có khả năng thu hồi được
tính tính theo đơn vị gallon chất lỏng ở điều kiện 600F/1000 scf khí ở
điều kiện chuẩn, gọi là GPM. Một khí nào đó được xác định là khí giàu
hay khí nghèo thì dựa vào bảng phân loại dưới đây:
Khí nghèo

< 2,5 GPM

Khí trung bình

2,5 – 5 GPM

Khí dầu
> 5 GPM
Sự phân loại trên đây chủ yếu dựa trên hàm lượng etan và các
hydrocacbon nặng hơn
Nếu etan không thể thu hồi dưới dạng chất lỏng, giá trị GPM có thể
được dựa theo propan và các hydrocacbon nặng hơn (C3+).

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

16

TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Thành phần chính của dầu thô và khí thiên nhiên là các hydrocacbon.
Các hợp chất này được sắp sếp bắt đầu từ khí metan (CH4), hợp chất có
khối lượng phân tử nhẹ nhất, tới các hợp chất hydrocacbon no có số
nguyên tử cacbon lên tới 33 và các chuỗi hydrocacbon thơm có số
lượng phân tử cacbon lớn trên 20.
Phân loại một số sản phẩm dầu khí theo thành phần Hydrocacbon
Bảng 3
Phần trăm phần mol

11/14/2013

Dạng chất lưu

Methane (C1)

Trung gian (C2-C6)

Heptanes+

Dầu đen

30

35

35

Dầu bay hơi

55

30

15

Condensate

70

22

8

Khí khô

90

9

1

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

17

TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Sản phẩm dầu mỏ phân chia theo tỷ số khí dầu, oAPI, đặc tính sắc
Bảng 4
phổ
Tỷ số khí dầu điển
hình ban đầu
Dạng chất lưu

Bsto/Brf

Chất lỏng trong bình chứa
oAPI

Scf/bsto

Màu

Dầu thô co ít (GOR
thấp), dầu nặng, dầu
thường

> 0,5

< 2000

< 45

Rất tối, thường đen

Dầu thô co nhiều
(GOR cao), dầu bay
hơi

< 0,5

2000 –
3300

> 40

nhiều màu, thường nâu

Khí ngưng tụ
(Condensate)

> 0,35

3300 –
50000

50 – 60

Nhẹ hay nước, trắng

> 50

Nước, trắng

Khí ướt (Wet gas)

-

> 50000

Khí khô (dry gas)

-

-

11/14/2013

-

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

18


TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Trong khí thiên nhiên tồn tại nhiều thành phần khác nhau, cùng tồn
tại. Ngoài Metan là chủ yếu ra, còn tồn tại một số Hydrocarbon
nặng hơn, khí không phải là Hydrocarbon.
Khí thiên nhiên ở điều kiện mỏ khác nhau thì thành phần của nó

cũng có thể khác nhau.
Vì vậy, muốn xác định chính xác thành phần trong khí thiên nhiên
thì phải tiến hành phân tích cụ thể, không thể có các thành phần
xác định cho toàn bộ khí thiên nhiên ở các mỏ khác nhau.
Việc xác định thành phần có trong khí thiên nhiên rất quan trọng,
nó quyết định đến việc thiết kế các quy trình xử lý, người ta thấy
rằng chỉ cần tồn tại một lượng nhỏ hợp chất lưu huỳnh cũng đã
ảnh hưởng nhiều đến quy trình công nghệ xử lý khí thiên nhiên.

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

19


Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Thành phần thường thấy trong khí thiên nhiên, bảng sau:
Bảng 5

Loại

Hàm lượng
Các hợp chất hydrocacbon

Metan

79 – 98%

Etan

1 – 10%

Propan

Rất ít – 5%

Butan

Rất ít – 2%

Pentan

Rất ít – 1%

Hexan

Rất ít – 0,5%

Heptan

Rất ít – 0,5%
Các hợp chất không phải hydrocacbon

11/14/2013

Nitơ

Rất ít – 15%

Cacbonic

Rất ít – 5%

Hydrosulfua

Rất ít – 3%

Heli

Rất ít hoặc không có, đôi khi là 5%
Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

20


Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí

Bảng 6

Thành phần và hàm lượng
trong khí tách từ chất lỏng bão
hòa khí
Các chất N2, CO2, H2S không
phải là các hợp chất
hydrocacbon. Các chất này chủ
yếu thu được ở điều kiện bề
mặt.

Copyright 2008

Loại

Hàm lượng

Các hợp chất hydrocacbon
Metan

45 – 92%

Etan

4 –21%

Propan

1 – 15%

Butan

0,5 – 7%

Pentan

< 3%

Hexan

< 2%

Heptan

Không đáng kể

Các hợp chất không phải hydrocacbon

11/14/2013

Nitơ

< 10%

Cacbonic

< 4%

Hydrosulfua

< 6%

Heli

Không có

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

21

Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Tổng hợp nhiều nghiên cứu phân tích thành phần khí thiên nhiên ở nhiều
mỏ khác nhau, người ta đã xác định được thành phần có thể có trong khí
thiên nhiên:
Hydrocarbon:
Methane (CH4 – C1), Ethane (C2H6 – C2), Propane (C3H8 – C3)
i-Butane (iC4H10 – iC4), n-Butane (nC4H10 – nC4), i-Pentane (iC5H10 –
iC5), n-Pentane (nC5H10-nC5), Cyclopentane (C5H10), Hexanes
(C6+)...
Khí trơ: Nitrogen (N2), Helium (He), Argon (A), Hydrogen (H2), Oxygen
(O2)…
Khí acid: Hydrogen Sulfide (H2S), Carbon Dioxide (CO2)
Hợp chất sulfur: Mercaptans (R-SH), Sulfile (R-S-R’), Disulfide (R-S-S-R’)
Hơi nước: H2O
Mẻ chất lỏng: Nước tự do và nước vỉa, chất ức chế ăn mòn Methanol
(CH3OH)
Chất rắn: Ghỉ Sulfide, quặng vỉa (FeS)
11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

22


THÀNH PHẦN KHÍ THIÊN NHIÊN
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Bảng 7:

11/14/2013

23


THÀNH PHẦN KHÍ THIÊN NHIÊN TẠI MỘT SỐ MỎ
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Bảng 8:

11/14/2013

24


THÀNH PHẦN KHÍ THIÊN NHIÊN TẠI MỘT SỐ MỎ
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Bảng 9:

11/14/2013

25