Ứng dụng công nghệ phân tích số liệu trong tối ưu hiệu quả tách CO2 bằng màng thấm trên giàn BR-E

14 DẦU KHÍ - SỐ 3/2020 
THĂM DÒ - KHAI THÁC DẦU KHÍ
thống xử lý khí trên giàn BR-E khi lưu lượng khí khai thác và 
hàm lượng CO2 tăng lên, nhưng vẫn phải đảm bảo yêu cầu 
chất lượng khí xuất và giảm thiểu hao hụt hydrocarbon.
2. Công nghệ tách CO2 bằng màng thấm
2.1. Khái quát chung về màng thấm 
Màng cellulose acetate (cellulose acetate - CA) [1] là 
dạng màng thấm phổ biến nhất đang sử dụng trong quá 
trình làm ngọt khí. Gần đây, module tiền chế tổ hợp nhiều 
màng thấm đóng khung sẵn với cấu trúc nhỏ gọn, trọng 
lượng nhẹ được áp dụng có hiệu quả cao cho các công 
trình ngoài khơi. Quá trình tách đơn giản của màng thấm 
có thể được mô tả dưới dạng sơ đồ như Hình 1.
Hiệu quả của quá trình tách phụ thuộc vào thành 
phần khí, vật liệu chế tạo màng và các điều kiện làm việc 
như lưu lượng đầu vào, nhiệt độ và chênh lệch áp suất. 
Phương trình tổng quan (phương trình 1) biểu diễn động 
học cho từng thành phần khí được xây dựng trên cơ sở 
định luật phân tán theo Adolf Fick [2], trong đó yếu tố 
động học là chênh lệch áp suất riêng phần qua chiều dày 
màng. Phương trình này là công cụ chính sử dụng trong 
Ngày nhận bài: 23/12/2019. Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 23/12/2019 - 4/2/2020. 
Ngày bài báo được duyệt đăng: 6/3/2020.
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU TRONG TỐI ƯU HIỆU QUẢ 
TÁCH CO2 BẰNG MÀNG THẤM TRÊN GIÀN BR-E 
TẠP CHÍ DẦU KHÍ
Số 3 - 2020, trang 14 - 21
ISSN-0866-854X
Nguyễn Hải An, Trần Quốc Việt
Tổng công ty Thăm dò Khai thác Dầu khí
Email: annh1@pvep.com.vn
Tóm tắt
Công tác phát triển và vận hành khai thác các mỏ khí có hàm lượng carbon dioxide (CO2) cao hiện đang đặt ra thách thức mới cho các 
công ty điều hành khai thác dầu khí trên thế giới. Tách và loại bỏ khí acid khỏi dòng khí tự nhiên là quá trình xử lý không thể thiếu nhằm 
tăng chất lượng khí (tăng nhiệt trị) trước khi sử dụng. Công nghệ tách CO2 bằng màng thấm đã và đang được sử dụng hiệu quả trong các 
nhà máy xử lý khí tự nhiên, đặc biệt là để loại bỏ khí acid do có lợi thế so với các phương pháp khác về hiệu suất tách, tính gọn nhẹ và 
thân thiện với môi trường.
Hệ thống tách CO2 trên giàn BR-E với công nghệ màng đã được sử dụng trên 10 năm. Thời gian tới sẽ đưa mỏ khí mới vào khai thác, 
đòi hỏi công suất xử lý khí ngày càng lớn (sản lượng 700 triệu ft3 tiêu chuẩn/ngày) và có hàm lượng CO2 rất cao (trên 50%). Khi đó, hiệu 
suất tách của hệ thống màng hiện tại không đảm bảo thông số kinh tế và kỹ thuật.
Trong bài báo này, tác giả sử dụng mô hình phân tích dữ liệu kết hợp với mô hình mô phỏng quá trình xử lý khí (phần mềm chuyên 
dụng HYSYS) nhằm tối ưu hóa hiệu suất cũng như điều chỉnh cấu hình hệ thống để nghiên cứu độ nhạy tham số (hàm lượng CO2) đối với 
lưu lượng khí thô khác nhau.
Từ khóa: Giàn BR-E, xử lý khí, công nghệ màng, cellulose acetate tách CO2.
1. Giới thiệu
Hệ thống màng thấm được thiết kế theo kiểu từng 
module với diện tích màng định sẵn, gắn trên các giá 
đỡ với kích thước được chuẩn hóa. Số lượng các module 
màng thấm phụ thuộc vào lưu lượng dòng khí cung cấp 
cũng như tiêu chuẩn lượng CO2 theo yêu cầu trong khí 
xuất. Nếu diện tích màng được cố định, sự gia tăng lưu 
lượng khí đầu vào sẽ dẫn đến sự gia tăng CO2 trong khí 
thương phẩm.
Trong suốt thời gian làm việc của màng, các thông 
số hoạt động của hệ thống liên tục điều chỉnh do đặc 
tính của màng (độ chọn lọc và tính thấm) thay đổi. Để hệ 
thống luôn đạt được các thông số kỹ thuật cần thiết, thiết 
kế của màng tách thường được đánh giá mức độ suy giảm 
hiệu suất tự nhiên (lão hóa màng). 
Mục tiêu của nghiên cứu này nhằm đưa ra giải pháp 
hiệu chỉnh cấu hình và tối ưu thông số làm việc cho hệ 
15DẦU KHÍ - SỐ 3/2020 
PETROVIETNAM
cả trường hợp đánh giá cũng như dự báo chính xác các thông số làm 
việc của màng thấm khí.
Trong đó:
J (m3(STP)/m2h): Hiệu suất dòng chảy của cấu tử gas i; 
qp: Lưu lượng của cấu tử khí (i) thấm qua màng (m
3(STP)/h); 
Pi: Độ thấm của cấu tử khí i ((m
3(STP)/m2hbar), ph và pl áp suất 
vào và ra của màng (bar), xi và yi hàm lượng của cấu tử khí i tại bề mặt 
trước vào sau của màng; 
Am (m
2) diện tích cần thiết của màng cho quá trình thấm. Độ thấm 
(P) được tính toán theo phương trình 2.
P = DAB × S (2)
Trong đó:
DAB (m
2/s): Độ khuếch tán;
S (m3(STP)/m3bar): Hệ số hòa tan của khí 
trong màng. Tỷ số độ thấm giữa các đôi cấu tử 
khí (PA, PB) thể hiện hệ số tách hoặc độ lựa chọn 
của màng, α = PA/PB.
2.2. Module màng thấm
Để ứng dụng trong công nghiệp, các 
module màng được chế tạo từ các lá màng 
cellulose phối hợp với tấm vải cường lực [3, 4]. 
Lá màng gồm 2 phần: phần mỏng hơn ở bên 
ngoài cùng, phần dày hơn ở giữa và tiếp xúc 
trực tiếp với vải cường lực. Tổ hợp một hoặc 
nhiều lớp màng cuộn xoắn ốc bao quanh ống 
lõi đục lỗ sẵn và phân tách ra khỏi nhau bằng 
một miếng đệm chịu áp suất cao. Các lá màng 
được làm kín bằng một chất kết dính trên 3 
cạnh; cạnh còn lại để hở nhằm tạo dòng chất 
lưu hướng vào ống lõi (Hình 2). 
Khi đi qua các ống màng, khí thô được 
tách thành khí giàu methane áp suất cao 
(phần không thấm qua màng) và dòng khí áp 
suất thấp với hàm lượng carbon dioxide cao 
(thấm qua màng).
Khí thấm qua màng (CO2 cao)
Khí không thấm qua 
màng (CO2 thấp)
Màng thấm
G yi
R riF xi
Khí thô
Hình 1. Sơ đồ biểu diễn quá trình tách của màng thấm
Hình 2. Thành phần cấu tạo màng thấm [3] 
, = , = = ( − ) (1)
Khí thô
Khí không thấm
Khí không thấm
Khí thấm 
qua màng
Lớp đệm cho khí thô
Lớp đệm cho khí thô
Màng thấm
Màng thấm
Lớp đệm cho khí thấm
16 DẦU KHÍ - SỐ 3/2020 
THĂM DÒ - KHAI THÁC DẦU KHÍ
Khí không thấm 
(CO2 thấp)
Màng thấm
Khí thấm (CO2 cao)
Khí thô
2.3. Các dạng cấu hình màng thấm 
Cấu hình màng 1 cấp tách gồm một hoặc nhiều đơn vị 
thẩm thấu được lắp đặt trong khung và có chung đường dẫn 
khí thô vào. Do đơn giản nên cấu hình 1 cấp tách (Hình 3) có 
chi phí đầu tư thấp nhất.
Theo sơ đồ, khí tự nhiên thô được đưa vào hệ thống, CO2 
thấm qua màng đến phía áp suất thấp. Trong khi đó, khí không 
thấm qua màng sẽ có áp suất gần bằng áp suất đầu vào.
Thực tế ứng dụng trong công nghiệp [3], cấu hình này khó 
có thể đạt được chất lượng khí cao theo yêu cầu, đồng thời 
lượng hydrocarbon thấm qua màng rất lớn. Cấu hình nhiều 
cấp tách được đề xuất nhằm khắc phục nhược điểm của cấu 
hình tách một cấp và đạt được chất lượng sản phẩm và tỷ lệ 
thu hồi mong muốn. Mặc dù cấu hình đa tầng làm giảm tổn 
thất hydrocarbon đến mức tối thiểu, tuy nhiên, các hệ thống 
lại có chi phí đầu tư cao hơn đáng kể. Hình 4 minh họa sơ đồ 
dòng của hệ thống màng với 2 cấp tách, với dòng thấm của 
màng thứ 1 được đưa vào màng thứ 2. Do áp suất quá thấp nên 
dòng thấm cần phải được nén tăng áp và làm mát. Dòng hồi 
lưu của cấp tách thứ 2 được đưa trở lại hòa cùng với dòng khí 
thô. Luồng khí không thấm qua màng của cấp tách thứ 1 phải 
đảm bảo yêu cầu chất lượng của khí thương phẩm.
3. Hệ thống tách CO2 trên giàn BR-E 
Giàn tách BR-E được lắp đặt năm 2007 tại cụm mỏ PM3-
CAA, cách khu công nghiệp khí Cà Mau khoảng 370km. Hệ 
Hình 3. Sơ đồ đơn vị màng thấm 1 cấp tách 
Hình 4. Sơ đồ cấu hình tách 2 cấp 
thống thiết bị trên giàn thực hiện chức năng tách CO2 
từ khí thô từ các giếng thuộc cụm mỏ phía Bắc và khí 
đồng hành từ các mỏ dầu ở phía Nam để xử lý xuất 
bán: 350 triệu ft3/ngày với tiêu chuẩn hàm lượng CO2 
dưới 8% tại điều kiện áp suất 101bar và ổn định 3.700 
thùng condensate. 
Khí thô được thu gom từ các giàn đầu giếng 
thông qua đường ống ngầm dưới biển và đưa ngay 
vào bình tách đứng 2 pha để tách khí và condensate. 
Khí sau khi tách sẽ được đưa vào tổ hợp lọc để tiếp 
tục loại bỏ triệt để chất lỏng, hơi ngưng tụ nhằm 
tránh giảm áp suất cho cả hệ thống. Tiếp theo đó, 
khí còn được xử lý sơ bộ bởi các lớp tái sinh hấp phụ 
nhiệt độ (TSA) để loại bỏ đồng thời hơi nước, các chất 
thơm và các tạp chất khác (thủy ngân).
Sau khi được làm nóng tới nhiệt độ cần thiết, 
khí sẽ đi vào hệ thống làm ngọt khí với tổ hợp 2 cấp 
màng tách nhằm giảm hàm lượng CO2 theo yêu cầu. 
Tại đầu vào cấp tách thứ 1, dòng hồi lưu của cấp tách 
màng thứ 2 được đưa trở lại tạo thành luồng kết hợp 
với hàm lượng CO2 lên tới 40 - 45% mol. Khí thương 
phẩm được xuất khỏi hệ thống từ đầu ra của cấp tách 
thứ 1 và được đưa qua máy nén nâng áp suất để đưa 
khí vào bờ.
Phần condensate được thu gom từ các bước xử lý 
và chuyển tới hệ thống loại bỏ hydrocarbon nhẹ cho 
đạt yêu cầu chất lượng trước khi được lưu trữ trong 
tàu chứa và xuất bán.
3.1. Thông số vận hành hệ thống tách CO2
Trong quá trình làm việc, lưu lượng khí thô và hàm 
lượng CO2 thay đổi liên tục (Hình 6 biểu diễn tham 
số trong vòng 2 năm), nên đòi hỏi phải điều chỉnh 
tham số của cả hệ thống nhằm có được khí thương 
phẩm theo yêu cầu. Thực tế cho thấy chất lượng khí 
luôn đảm bảo yêu cầu ngay cả khi dòng khí thô với 
hàm lượng CO2 cao trên 40%. Tuy nhiên, lưu lượng khí 
(sau xử lý) thấp hơn đáng kể do phải điều chỉnh tăng 
lượng hao hụt khí hydrocarbon qua màng tách.
Hình 7 cho thấy tổng mức tách CO2 của các hàm 
lượng thay đổi nhau theo lưu lượng khí thô được 
đưa vào hệ thống màng. Khái niệm “tổng mức tách” 
được định nghĩa là tỷ phần của lưu lượng khí thấm 
qua toàn bộ hệ thống màng tách so với lưu lượng 
khí thô đầu vào. 
Trong giai đoạn khảo sát, biểu hiện rõ ràng sự cần 
thiết phải điều chỉnh thông số hệ thống để có hiệu 
Khí thô
Khí không 
thấm qua 
màng
Khí thấm 
qua màng
17DẦU KHÍ - SỐ 3/2020 
PETROVIETNAM
Khí xuất sang 
giàn BRA
Lọc thô
Lọc bụi mịn, sương
Cụm gia 
nhiệt
Hệ thống tái 
sinh khí
Khí thương phẩm 
CO2 < 8%mol
CO2
CO2
Bình tách khí/condensate
Hệ thống làm mát
Hệ thống làm mát
Cụm máy nén tăng áp 
cho cấp tách 2
Cụm màng tách 
cấp 1
Cụm màng tách 
cấp 2
Hệ thống 
ổn định 
condensate 
Lọc hấp phụ
Bình táchKhí thô từ 
cụm mỏ 
phía Bắc
Khí thô từ 
cụm mỏ 
phía Nam
Condensate 
tới giàn BRA
Nước thải
CW
30
32
34
36
38
40
42
44
46
0
100
200
300
400
500
600
700
Th
án
g 
1
Th
án
g 
2
Th
án
g 
3
Th
án
g 
4
Th
án
g 
5
Th
án
g 
6
Th
án
g 
7
Th
án
g 
8
Th
án
g 
9
Th
án
g 
10
Th
án
g 
11
Th
án
g 
12
Th
án
g 
1
Th
án
g 
2
Th
án
g 
3
Th
án
g 
4
Th
án
g 
5
Th
án
g 
6
Th
án
g 
7
Th
án
g 
8
Th
án
g 
9
Th
án
g 
10
Th
án
g 
11
Th
án
g 
12
201X 201Y
 H
àm
 lư
ợn
g 
CO
2 (
%
)
Lư
u 
lư
ợn
g 
kh
í (
tr
iệ
u 
ft
3 /
ng
ày
)
Khí thô Khí xử lý Hàm lượng CO2 trong khí thô
Hình 6. Thông số xử lý khí 
Hình 5. Sơ đồ thiết bị tách CO2 và ổn định condensate trên giàn BR-E [5]
suất tách phù hợp với lưu lượng khí thô (giảm), nhất là đối 
với hàm lượng CO2 cao. Cụ thể hơn, hàm lượng CO2 trong 
khí thu gom từ các giàn đầu giếng thay đổi khoảng ±5% 
so với giá trị trung bình 40%, nhưng giá trị mức độ tách 
CO2 có thể thay đổi tới 10%. Tương ứng với sự điều chỉnh 
này, hàm lượng CH4 bị cuốn theo dòng thấm qua màng 
cũng sẽ bị ảnh hưởng, nhưng mức tách sẽ thấp hơn nhiều 
so với CO2 do lượng CH4 chiếm đa số trong tất cả dòng khí 
trong hệ thống. 
Các thông số làm việc của hệ thống được phân tích 
theo hàm lượng CO2 trong dòng khí thô (đầu vào) với giới 
hạn lớn hơn 40% và nhỏ hơn 40%. Số liệu hàm lượng CO2 
18 DẦU KHÍ - SỐ 3/2020 
THĂM DÒ - KHAI THÁC DẦU KHÍ
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
30 80 130 180 230 280 330 380 430
Tổ
ng
 m
ức
 tá
ch
Lưu lượng khí thô (triệu ft3/ngày)
CO2 > 40%
CO2 < 40%
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hàm lượng CO2 trong khí thô (%)
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
30 80 130 180 230 280 330 380 430
Tổ
ng
 m
ức
 tá
ch
Tổ
ng
 m
ức
 tá
ch
Khí thương phẩm (triệu ft3/ngày)
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hàm lượng CO2 trong khí thô (%)
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
30 80 130 180 230 280 330 380 430
Tổ
ng
 m
ức
 tá
ch
Tổ
ng
 m
ức
 tá
ch
Khí thương phẩm (triệu ft3/ngày)
thu thập được hoàn toàn trong khoảng 35 - 45%, thấp 
hơn nhiều so với dự kiến đưa các vỉa/mỏ khác vào khai 
thác có hàm lượng CO2 tới 50%. Do đo đạc trong điều kiện 
thực tế ngoài khơi nên dữ liệu có tồn tại lượng nhỏ điểm 
nhiễu nên không ảnh hưởng đến kết quả phân tích.
 Hình 8 cho thấy mối quan hệ phụ thuộc với lưu lượng 
dòng giảm khi tổng mức tách CO2 tăng, tức là khi hàm 
lượng CO2 trong khí thô tăng lên buộc phải tăng tổng 
mức tách hay tăng lưu lượng khí thấm qua màng, dẫn 
tới tăng hao hụt hydrocarbon và giảm đáng kể lưu lượng 
khí thương phẩm. Ngoài ra, trong suốt thời gian theo dõi, 
không có hiện tượng hàm lượng CO2 vượt quá 8% trong 
khí thương phẩm và không có biểu hiện của hiện tượng 
suy giảm chức năng (lão hóa) màng.
Các giá trị mức tách của hệ thống màng thường được 
điều chỉnh tương ứng theo lưu lượng khí thô và hàm lượng 
CO2. Trong Hình 8, hàm lượng CO2 tăng lên vào khoảng 
45 - 50% sẽ đòi hỏi hệ thống tăng giá trị tổng mức tách 
trong khoảng từ 0,5 - 0,6 đồng thời lưu lượng khí thương 
phẩm sẽ giảm chỉ còn khoảng 150 - 200 triệu ft3 chuẩn/
ngày. Tăng giá trị tổng mức tách CO2 tức là phải tăng áp 
suất qua màng (làm tăng áp suất riêng phần) nên hệ quả 
là tăng lượng CH4 thất thoát do thấm qua màng. 
3.2. Mô hình mô phỏng
Đánh giá và thiết kế hiệu suất của hệ thống màng tách 
thường phải sử dụng công cụ toán học để giải đồng thời 
hệ phương trình cân bằng vật chất. Đặc biệt đối với hệ 
thống đa cấp tách rất phức tạp mà bảng tính (Microsoft 
Excel) không đảm bảo tính chính xác cũng như thời gian 
tính toán. Do đó, việc sử dụng phần mềm mô phỏng quá 
trình xử lý với mô hình phù hợp đã được đề xuất nhằm 
đánh giá từng thông số và tối ưu hóa quá trình phức tách 
của màng thấm. 
Về cơ bản, quá trình tách màng được mô hình hóa trên 
cơ chế khuếch tán chất lưu được biến đổi từ phương trình 
truyền khối của dòng chảy. Thực tế vận hành hệ thống 
tách CO2 trên giàn BR-E đã khẳng định mức độ làm việc 
hiệu quả cao đúng với thiết kế trong thời gian dài. Thông 
số điều kiện biên cũng được cung cấp cho mô hình đối với 
cả trường hợp CO2 thấp và cao (so với thiết kế). Để điều 
chỉnh cấu hình và thông số làm việc của hệ thống đáp ứng 
với lưu lượng và hàm lượng CO2 cao hơn (tới 50%) trong 
khí thô, các thông số cần mô phỏng và kiểm chứng bởi 
mô hình xây dựng bởi phần mềm chuyên dụng HYSYS.
Mô hình mô phỏng được xây dựng nhất quán từ các 
dữ liệu và đặc tính tổ hợp của từng thiết bị trong hệ thống 
xử lý. Ngoài ra, mọi thông tin và kế hoạch hiệu chỉnh, sửa 
Hình 8. Ảnh hưởng lưu lượng khí thương phẩm theo hàm lượng CO2 trong khí thô
Hình 7. Tổng mức tách CO2 đối với hệ thống màng trên giàn BR-E
19DẦU KHÍ - SỐ 3/2020 
PETROVIETNAM
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0,4 0,5 0,6 0,7
Tổng mức tách
Số liệu đo
Poly (mô hình)
Lư
ợn
g 
C
O
2 t
hấ
m
 q
ua
 m
àn
g
chữa, thay đổi cũng phải được cập nhật vào mô hình. Để có thể sử 
dụng mô hình cho công tác dự báo hoặc tối ưu, dữ liệu lịch sử làm 
việc của hệ thống cần được mô phỏng lại và điều chỉnh thông tin hoặc 
điều kiện biên cho phù hợp. Do sẽ có các mỏ đưa vào khai thác mới, 
các trường hợp được xây dựng phải bao trùm đầy đủ khoảng thay đổi 
lưu lượng khí thô theo dự báo khai thác tổng thể cụm mỏ.
Tính chính xác của mô hình toán học và tính đúng đắn của các 
giải pháp ứng dụng cho hệ thống tách CO2 trên giàn BR-E được đánh 
giá dựa trên dữ liệu đo đạc trực tiếp tại mỏ trong 2 năm. Dòng khí thô 
được đưa vào hệ thống tại áp suất 4.000kPag, áp suất đầu ra của dòng 
thấm được thiết lập 210kPa. Các thông số làm việc của màng tách CO2 
được đo đạc và ghi lại cùng với sự thay đổi lưu lượng, tỷ lệ áp suất và 
chất lượng khí sau khi tách. Hình 9 biểu diễn độ phù hợp tốt giữa kết 
quả mô phỏng từ mô hình toán học và số liệu đo đạc trong dải điều 
chỉnh tổng mức tách toàn hệ thống.
Bảng 1. Các thông số của hệ thống xử lý
Hình 9. Kiểm chứng mô hình toán với số liệu đo đạc
Tham số Đơn vị Số liệu thực tế Trường hợp CO2 
cao 
Trường hợp CO2 
thấp 
Khí thô (đầu vào) 
Lưu lượng Triệu ft3 chuẩn /ngày 650 750 630 
Áp suất kPag 4.000 4.000 4.000 
Nhiệt độ oC 30 30 30 
Hàm lượng CO2 % mol 38 - 44 50 35 
Khí thương phẩm 
Lưu lượng Triệu ft3 chuẩn /ngày 400 360 450 
Áp suất (yêu cầu) kPag 3.200 3.000 3.000 
Nhiệt độ (cao nhất) oC 35 35 35 
Hàm lượng CO2 % mol 7,8 - 8 8 8 
Khí xả (CO2 ) 
Lưu lượng Triệu ft3 chuẩn /ngày 350 350 210 
Áp suất (thấp nhất) kPag 250 250 250 
Chênh áp kPa 800 800 800 
Thu hồi hydrocarbon % 87 - 92 90 - 95 93 - 98 
4. Kết quả và thảo luận 
Nghiên cứu đánh giá khả năng đáp ứng 
của hệ thống thiết bị hiện tại trong trường 
hợp hàm lượng CO2 trong khí thô thay đổi từ 
35 - 50%, xác định các yếu tố ảnh hưởng và 
đề xuất giải pháp tăng lưu lượng khí thương 
phẩm. Trong đó, lưu lượng tiềm năng tối đa 
qua hệ thống xử lý khí trên giàn BR-E được 
đánh giá trong cả 2 trường hợp vận hành tách 
CO2 cao nhất và thấp nhất. Đồng thời, xem 
xét sửa đổi cấu hình thiết bị để tăng hiệu suất 
tách, giảm hao hụt hydrocarbon. Tuy vậy, các 
sửa đổi này chỉ tập trung vào các thiết bị tách 
CO2 mà không xét đến các thiết bị khác trên 
giàn BR-E. Bảng 1 là các thông số của khí đầu 
vào và khí đầu ra của hệ thống xử lý (lưu lượng 
dòng chảy, áp suất, nhiệt độ và hàm lượng 
CO2) với các trường hợp tính toán: hiện tại; 
CO2 cao (50%) và CO2 thấp (35%).
Ngoài ra, một số thông số của màng được 
giả định: độ chọn lọc màng được đánh giá 
trong dải từ 5 - 80 với độ dày của màng 1.000A˚ 
(3,937 × 10-6 in.); hàm lượng CO2 trong khí 
thương phẩm đặt cố định 8%; áp suất đầu ra 
của khí không lớn hơn 3.000kPag; nhiệt độ đầu 
ra tối đa trong máy nén được giới hạn ở 35oC 
với tỷ lệ nén 20 trên mỗi giai đoạn máy nén. 
4.1. Công suất máy nén
Ảnh hưởng của thành phần khí thô, áp 
suất đầu vào và độ chọn lọc của màng đối với 
20 DẦU KHÍ - SỐ 3/2020 
THĂM DÒ - KHAI THÁC DẦU KHÍ
0
10
20
30
40
50
60
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 50 100 150 200
Đ
ộ 
ch
ọn
 lọ
c 
củ
a 
m
àn
g 
th
ấm
CO
2 t
ro
ng
 k
hí
 th
ô
Tổng diện tích màng thấm (m2)
0
10
20
30
40
50
60
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
10000 11000 12000 13000 14000 15000
Đ
ộ 
ch
ọn
 lọ
c 
củ
a 
m
àn
g 
th
ấm
CO
2 t
ro
ng
 k
hí
 th
ô
Công suất nén (mã lực)
Hình 11. Phân tích tổng diện tích màng theo hàm lượng CO2 trong khí thô 
Hình 12. Hiệu quả tối ưu hệ thống và thông số làm việc của hệ thống màng tách 
Hình 10. Phân tích yêu cầu công suất máy nén 
yêu cầu công suất máy nén đã được phân tích đánh giá 
với các điều kiện làm việc đảm bảo hỗ trợ cho hiệu suất 
màng tách tốt nhất. 
Hình 10 cho thấy công suất máy nén tăng lên theo 
hàm lượng CO2 trong khí thô cao. Tuy nhiên chỉ tăng đến 
điểm tối đa (phụ thuộc đặc tính của màng thấm), sau đó 
hiệu suất tách không yêu cầu tăng công suất máy nén nữa. 
Độ chọn lọc của màng yêu cầu công suất máy nén phù 
hợp theo các dạng cấu hình cũng đã được phân tích đánh 
giá như trên Hình 10. Khi tăng độ chọn lọc của màng từ 
10 lên đến 20, sẽ đòi hỏi công suất máy nén tăng vọt từ 
trên 10.500hp lên tới 14.000hp. Nhưng sau đó, khi tăng độ 
chọn lọc của màng trên 20 thì máy nén sẽ được giảm tải 
dần. Do vậy, tùy thuộc vào điều kiện tách CO2 trong khí thô 
mà lựa chọn hợp lý độ chọn lọc cũng như điều kiện làm 
việc của màng thông qua việc tối ưu công suất máy nén.
4.2. Tổng diện tích màng thấm
Hàm lượng CO2 trong khí thô càng cao sẽ cần màng 
với diện tích lớn để tách nhằm đạt chất lượng yêu cầu khi 
sử dụng. Công nghệ và thiết bị tách CO2 bằng màng thấm 
thường có chi phí đầu tư ban đầu cao, đồng thời lượng 
thất thoát khí methane do cuốn theo khi tách cũng tương 
đối lớn, khó thu hồi. Do vậy, cấu hình tách 1 tầng song 
song không được áp dụng nhiều trong thực tế.
Hệ thống tách CO2 trên giàn BR-E có 2 cấp tách nên 
tổng diện tích màng tách tối ưu được đánh giá trên cơ sở 
hàm lượng CO2 trong khí thô (đầu vào). Theo số liệu trên 
Hình 11, tổng diện tích màng cần thiết chỉ tăng đến mức 
tối đa khi hàm lượng CO2 đạt 40% trong dòng khí vào, sau 
đó yêu cầu diện tích màng sẽ giảm nếu hàm lượng CO2 
tiếp tục tăng lên. Mô hình mô phỏng còn cho thấy để thu 
hồi khí methane, yêu cầu diện tích màng ở cấp tách thứ 
2 tương đối lớn, nhưng hiệu suất tách tốt hơn hẳn so với 
cấu hình 1 cấp tách. Hình 11 còn cho thấy ảnh hưởng của 
độ chọn lọc màng đối với tổng diện tích màng tại các cấu 
hình làm việc khác nhau. Khi tăng độ chọn lọc sẽ làm giảm 
tổng diện tích màng thấm. Đặc biệt lưu ý sử dụng độ chọn 
lọc hợp lý cho từng cấp tách khi luồng khí tách ở cấp 2 
được hòa trở lại dòng đầu vào.
Trong quá trình đo đạc thực tế tại mỏ, hàm lượng 
CO2 và lưu lượng khí thô trong khoảng 35 - 45% và 650 
triệu ft3 chuẩn/ngày tương ứng, thấp hơn so với thông 
số được thiết kế tối ưu khi đưa mỏ mới vào khai thác. 
Do vậy dữ liệu đo đạc sẽ được dùng để ngoại suy cho 
phù hợp với điều kiện làm việc mới của hệ thống: hàm 
lượng CO2 tăng lên đến 50% và lưu lượng khí thô đạt 
750 triệu ft3 chuẩn /ngày. Thông số mô hình hệ thống 
được điều chỉnh đạt đến giá trị tối ưu để cung cấp 400 
triệu ft3 chuẩn/ngày khí thương phẩm đảm bảo yêu cầu 
chất lượng khí dưới 8% CO2. Tuy nhiên hiệu suất thu hồi 
hydrocarbon của hệ thống chịu ảnh hưởng đáng kể khi 
buộc phải điều chỉnh giảm.
Cấu hình hệ thống tiếp tục được đánh giá bằng mô 
hình để hiệu chỉnh diện tích màng ở cả 2 cấp tách (sơ cấp 
và thứ cấp). Kết quả cho thấy mô hình cấu hình cần tăng 
Lư
u 
lư
ợn
g 
kh
í x
uấ
t b
án
 (t
riệ
u 
ft
3 /
ng
ày
)
Lưu lượng khí thô (triệu ft3/ngày)
21DẦU KHÍ - SỐ 3/2020 
PETROVIETNAM
khoảng 30% diện tích màng để đạt được hiệu suất thu hồi 
hydrocarbon nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu về chất lượng 
và lưu lượng khí thương phẩm.
5. Kết luận
Các dự án phát triển khai thác khí ngoài khơi thường 
rất đồ sộ, hiện đại và chi phí vận hành cao. Giàn BR-E tách 
CO2 và xử lý khí cụm mỏ PM3-CAA ứng dụng công nghệ 
xử lý màng thấm, đã được vận hành trên 10 năm và luôn 
đáp ứng các yêu cầu chất lượng khí xuất bán với hàm 
lượng CO2 thấp hơn 8%. 
Phân tích dữ liệu và mô hình toán học cho phép thực 
hiện mô phỏng quá trình tách, tối ưu hóa và đánh giá 
hiệu suất của hệ thống màng tách 2 giai đoạn phức tạp. 
Trong nghiên cứu này, module HYSYS được sử dụng để 
mô phỏng và sau đó đánh giá hiệu quả của quá trình tách 
bỏ CO2, trong đó hàm lượng CO2 trong khí thô đã giảm từ 
35 - 50% mol xuống còn 8% mol. Kết quả cho thấy với cấu 
hình màng phù hợp, điều kiện nhiệt độ, áp suất tối ưu, đặc 
điểm kỹ thuật của khí bán đã được đáp ứng và các thách 
thức khi vận hành, như lưu lượng dòng chảy cao hoặc tắc 
nghẽn đã được giảm thiểu. Ngoài ra, mô hình mô phỏng 
quá trình xử lý có tiềm năng ứng dụng cho nghiên cứu tối 
ưu hóa và thiết kế hệ thống màng tách phức tạp.
Tài liệu tham khảo
1. P.Bernardo, E.Drioli, G.Golemme. Membrane 
gas separation: A review/state of the art. Industrial & 
Engineering Chemistry Research. 2009; 48 (10): p. 4638 - 
4663. 
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Fick’s_laws_of_
diffusion
3. Honeywell Company. UOP SeparexTM membrane 
technology. UOP LLC. 2009.
4. David Dortmundt, Mark Schott, Tom Cnop. Sour 
gas processing applications using separex membrane 
technology. UOP LLC. 2007.
5. BR-E CO2 removal process overview. PVEP.
Summary
Development of offshore high carbon dioxide (CO2) gas fields will indisputably pose new challenges for E&P companies in the world. 
Acid gas removal from natural gas is an indispensable treatment process that is required to boost the produced gas quality prior to its 
utilisation. The use of membrane units has increased in natural gas treatment plants, particularly for acid gas removal. Such technology 
shows tremendous advantages over other methods in terms of removal efficiency, compactness, and environmental friendliness. 
BR-E CO2 removal facility using membrane technology has been utilised for more than 10 years. As new gas fields require increasingly 
high gas volumes (production of more than 700 million standard cubic feet per day) and have very high CO2 content (above 50%), existing 
membrane performance is no longer economical for such new field development. 
In this paper, a data analysis model for membrane separation has been incorporated with HYSYS as a user defined unit operation in 
order to optimise performance and redesign the membrane system for CO2 separation from natural gas. Parameter sensitivities have been 
studied for different crude gas flow and its CO2 concentrations. 
Key words: BR-E platform, gas treatment, membrane technology, cellulose acetate, CO2 removal.
APPLICATION OF DATA ANALYSIS MODEL FOR CO2 REMOVAL 
OPTIMISATION USING THE BR-E MEMBRANE SYSTEM
Nguyen Hai An, Tran Quoc Viet
Petrovietnam Exploration and Production Corporation
Email: annh1@pvep.com.vn