Ảnh hưởng của hiện tượng va đập thủy lực lên tuổi thọ của đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô ở mỏ Bạch Hổ và giải pháp hạn chế

Mục đích nghiên cứu Trên cơ sở phân tích dòng chảy trong đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô để đánh giá mức độ tác động và ảnh hưởng của hiện tượng va đập thủy lực lên độ bềncủa hệ t

MỤC LỤ

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 5

1.Tính cấp thiết của đề tài 5

2 Mục đích nghiên cứu 5

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 6

4 Nội dung nghiên cứu 6

5 Phương pháp nghiên cứu 6

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG ỐNG VẬN CHUYỂN 7

1.1 HỆ THỐNG THU GOM DẦU MỎ BẠCH HỔ 7

1.1.1 Hệ thống thu gom dầu trên các giàn cố định 7

1.1.2 Hệ thống thu gom dầu trên các giàn mini MSP 9

1.1.3 Hệ thống thu gom dầu trên các giàn nhẹ 10

1.2 SƠ ĐỒ THU GOM 10

1.2.1 Phân loại 10

1.2.2 Sơ đồ thu gom mỏ Bạch Hổ 12

1.3 QUÁ TRÌNH THU GOM VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ Ở MỎ BẠCH HỔ 14

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DÒNG CHẢY TRONG ĐƯỜNG ỐNG VẬN CHUYỂN DẦU THÔ 17

2.1 CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA DẦU MỎ 17

2.1.1 Thành phần dầu mỏ, phân loại dầu mỏ 17

2.1.2 Mật độ dầu và khí 18

2.2 DÒNG CHẢY HAI PHA TRONG ĐƯỜNG ỐNG 22

2.3 MÔ HÌNH DÒNG CHẢY TRONG ĐƯỜNG ỐNG VÀ PHÂN LOẠI 24

2.3.1 Dòng chảy ngang và gần ngang 24

2.3.2 Cấu trúc dòng chảy của hỗn hợp dầu-khí trong ống nằm ngang 26

2.3.3 Dòng chảy trong ống đứng 30

2.3.4 Dòng chảy trong ống nghiêng 31

2.3.5 Xây dựng mô hình dòng chảy 32

2.3.5 Mô hình dòng chảy phụ thuộc vào Gradient áp suất 35

2.4 SỰ CHUYỂN ĐỔI CHẾ ĐỘ DÒNG CHẢY 38

CHƯƠNG III: ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG VA ĐẬP THỦY LỰC LÊN TUỔI THỌ CỦA ĐƯỜNG ỐNG 46

3.1 KHÁI NIỆM HIỆN TƯỢNG VA ĐẬP THỦY LỰC 46

3.2 SỰ TÁC ĐỘNG CỦA HIỆN TƯỢNG VA ĐẬP THỦY LỰC LÊN ĐƯỜNG ỐNG CÔNG NGHỆ VẬN CHUYỂN DẦU THÔ Ở MỎ BẠCH HỔ - VSP 50

3.2.1 Vật liệu đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô ở mỏ Bạch hổ - VSP 50

3.2.2 Ảnh hưởng của hiện tượng va đập thủy lực lên tuổi thọ của đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô 50

3.2.3 Xung động áp suất trong vận chuyển hỗn hợp dầu khí 54

3.3 CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ HIỆN TƯỢNG VA ĐẬP THỦY LỰC LÊN TUỔI THỌ ĐƯỜNG ỐNG 56

3.3.1 Phương pháp vận hành đường ống (đóng mở van hợp lý) 56

3.3.2 Phương pháp cơ học 57

3.3.3 Các biện pháp giảm xung 57

3.3.4 Phương pháp dùng tháp điều áp 63

KẾT LUẬN 70

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số hệ thống công nghệ đường ống vận chuyển dầu thô ở mỏ Bạch

Hổ 8

Bảng 2.1 Trị số các hàm số F1, F2, F3 & F4 41

Bảng 2.2 Giá trị các hằng số đối với nhũ tương dầu của Arkhangelst 43

Bảng 2.3 Trị số các hàm B(kq); H(k,q) và Z(k,q) 43

Bảng 3.1 Một số kết quả nghiên cứu lắng đọng paraffin bằng phương pháp ngón tay lạnh 67

Bảng 3.2 Mức độ hòa tan lắng đọng paraffin của một số hóa phẩm 68

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ thu gom hở 11

Hình 1.2 Sơ đồ thu gom kín 12

Hình 1.3 Sơ đồ thu gom, vận chuyển dầu khí mỏ Bạch Hổ 13

Hình 2.1 Sơ đồ của dòng hai pha lỏng - khí trong ống 22

Hình 2.2 Sơ đồ mối quan hệ giữa sự trượt và sự tắc nghẽn của dòng chảy 23

Hình 2.3 Mô hình dòng chảy nằm ngang và gần ngang 25

Hình 2.4 Dòng chảy của hỗn hợp dầu - khí 27

Hình 2.5 Biểu đồ Baker 28

Hình 2.6 Sơ đồ một nút lỏng khí trên ống nằm ngang 29

Hình 2.7 Sơ đồ tuyến sau ở chế độ trọng trường 30

Hình 2.8 Mô hình dòng chảy trong đường ống đứng 31

Hình 2.9 Mô hình dòng chảy trong toàn bộ phạm vi của các góc nghiêng 32

Hình 2.10 Bản đồ mô hình dòng chảy cho ống ngang 33

Hình 2.11 Bản đồ mô hình dòng chảy cho ống thẳng đứng 34

Hình 2.12 Bản đồ mô hình dòng chảy cho ống thẳng đứng 34

Hình 2.13 Bản đồ mô hình cho đường ống ngang 35

Hình 2.14 Mô hình dòng chảy gradient áp suất được xây dựng dòng chảy ngang 36

Hình 2.15 Mô hình dòng chảy gradient áp suất được xây dựng cho dòng chảy theo chiều thẳng đứng 37

Hình 2.16 Biểu đồ trạng thái gradient áp suất trong dòng chảy thẳng đứng 37

Hình 2.17 Mối quan hệ giữa hệ số cản thủy lực và số Reynold 39

Hình 3.1 Sơ đồ tính toán thủy lực và tốc độ truyền sóng C 47

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn dao động áp suất trong đường ống 52

Hình 3.3 Dao động của áp suất trong mô hình đường ống vận chuyển hỗn hợp dầu, khí và nước ở các lưu lượng khác nhau 53

Hình 3.4 Sơ đồ tuyến ống vận chuyển dầu thô 54

Hình 3.5 Thiết bị khử xung của viện dầu Grozmri 61

Hình 3.6 Thiết bị khử xung của viện dầu tacta 62

Hình 3.7 Thiết bị khử xung của viện dầu khí Xibiri 62

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý làm việc của tháp điều áp 63

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

XNLDDK Việt-Nga Vietsovpetro (VSP) là một đơn vị khai thác dầu thô vớisản lượng 9 triệu tấn/năm, đứng đầu trong các công ty khai thác dầu khí ở Việt Namhiện nay; hàng năm đóng góp một phần không nhỏ cho ngân sách nhà nước Hiện nay

ở mỏ Bạch Hổ XNLDDK đang sở hữu: 10 giàn cố định, 02 giàn CNTT, 09 giàn nhẹkhai thác Ngoài ra còn có 03 tàu chứa dầu được bố trí để tiếp nhận dầu thô từ cácgiàn, sau đó xuất bán

Mỗi giàn cách nhau từ 5-7km, giữa giàn và tàu chứa cách nhau khoảng 3-5km.Dầu thô khai thác từ các giếng lên sẽ qua giàn CNTT để xử lý tách nước, táchkhí và các tạp chất Sau đó, được bơm vận chuyển tới hệ thống các tàu chứa thôngqua hệ thống đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô

Với số lượng giàn khoan và tàu chứa dầu thô nhiều và trải rộng trên một diện tíchthềm lục địa khá lớn, nên hệ thống đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô hết sứcphức tạp và chủ yếu sử dụng ống thép có đường kính từ 219-426 mm

Hàng năm, XNLDDK Việt-Nga Vietsovpetro phải chi phí một khoản tiền lớn

để sửa chữa thay thế đường ống công nghệ bị hư hỏng Có rất nhiều nguyên nhân gây

hư hỏng đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô như do mòn rỉ, do hóa chất, do môitrường làm việc, ma sát, do tác động xói mòn và đặc biệt là do va đập thủy lực gâynên tác hại rất lớn cho hệ thống đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô Việcnghiên cứu tìm hiểu dòng chảy đường ống nói chung và cơ chế tác động của hiệntượng va đập thủy lực nói riêng để đưa ra giải pháp hạn chế và kéo dài thời gian sửdụng của hệ thống đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô là yêu cầu thực tiễn của

đề tài

2 Mục đích nghiên cứu

Trên cơ sở phân tích dòng chảy trong đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô

để đánh giá mức độ tác động và ảnh hưởng của hiện tượng va đập thủy lực lên độ bềncủa hệ thống đường ống và đề xuất giải pháp nhằm hạn chế sự tác động đó cũng nhưkéo dài thời gian sử dụng của hệ thống đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Chất lưu vận chuyển trong đường ống công nghệ và hệ thống đường ống vậnchuyển dầu thô ở mỏ Bạch Hổ

4 Nội dung nghiên cứu

Tập trung nghiên cứu các nội dung chính sau:

- Tổng quan về đường ống vận chuyển dầu thô

- Nghiên cứu, phân tích dòng chảy của chất lỏng trong đường ống

- Nghiên cứu hiện tượng va đập thủy lực

- Phân tích ảnh hưởng của hiện tượng va đập thủy lực lên độ bền của hệ thống đườngống và đề xuất giải pháp nhằm hạn chế sự tác động đó

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: trên cơ sở lý thuyết về dòng chảy đa pha trong đườngống, thủy lực học, áp suất, nhiệt độ, lưu lượng mỗi pha, để xây dựng mô hình dòngchảy trong đường ống, từ đó tìm ra cơ chế tác động của hiện tượng va đập thủy lực và

đề xuất một số giải pháp hạn chế

- Đánh giá các kết quả nghiên cứu thông qua các số liệu thống kê từ thực tế

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đánh giá được mức độ nguy hiểm của hiện tượng va đập thủy lực tác động lênđường ống công nghệ vận chuyển dầu thô làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế và hiệuchỉnh hệ thống đường ống tại XNLDDK Việt-Nga Vietsovpetro Đề xuất giải phápgiảm thiểu, hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng va đập thủy lực lên đường ống côngnghệ vận chuyển dầu thô, nâng cao tuổi thọ và hiệu quả kinh tế khi sử dụng

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG ỐNG VẬN CHUYỂN

1.1 HỆ THỐNG THU GOM DẦU MỎ BẠCH HỔ

1.1.1 Hệ thống thu gom dầu trên các giàn cố định

Tại mỏ Bạch Hổ, các giàn cố định (MSP) được xây dựng theo thiết kế mẫuMSP 16716 do tổ hợp KORAL (Liên Xô cũ) soạn thảo năm 1976, sử dụng công nghệthiết bị, vật tư và các phương tiện kỹ thuật do nghành công nghiệp Liên Xô cũ sản xuấtvào những năm 1970 Trên mỗi MSP có một tổ hợp thiết bị khai thác, về chức năngđược dùng để thu gom, xử lý vận chuyển sản phẩm của 16 giếng khoan Công suấtthiết kế của tổ hợp – 2400T/ngày, hệ số khí, dầu dưới 140 m3/T Sơ đồ công nghệ củatổ hợp được tính cho việc xử lý dầu không chứa nước, tức là sản phẩm của MSP sẽđược xử lý tại tàu chứa Dầu sau khi được tách khí ở bình tách cao áp (bình tách cấp 1với áp suất khoảng 14÷16 kG/cm2) và bình tách thấp áp (bình tách cấp 2 với áp suấtkhoảng 1,5÷3 kG/cm2) với hàm lượng nước khoảng 15% được bơm về tàu chứa để xử

lý tiếp theo Các giàn cố định được liên kết với nhau bằng các đường ống ngầm chonhững mục đích khác nhau: đường ống dầu khí, đường ống khí, đường ống gaslift,đường ống bơm ép Khi giếng khoan ở giàn MSP-1 tìm ra được dầu ở tầng móng thìcông suất thiết kế tổ hợp thiết bị khai thác của MSP-1 (2400T/ngày) không còn đủcông suất để thu gom, sử lý vận chuyển sản phẩm Hệ thống xử lý khí, hệ thống vòiđốt không còn đủ công suất do lưu lượng sản phẩm của các giếng khai thác ở tầngmóng tăng và hệ số khí, dầu tăng lên trên 200m3/T Để đảm bảo khai thác hết lượngsản phẩm của các giếng MSP-1 Viện NIPI đã tiến hành thiết kế để tăng công suất thiết

bị tổ hợp khai thác, hệ thống xử lý khí, hệ thống vòi đốt Công suất MSP-1 được tănglên 5000T/ngày

Bảng 1.1: Thông số hệ thống công nghệ đường ống vận chuyển dầu thô ở mỏ Bạch Hổ.

Stt Tuyến ống

Đườngkính, chiều

dày D*δ

(mm)

Vậtliệu

Nămlắpđặt

Chiều dàituyếnống (m)

Lưu lượng(tấn/ngày)

Áp suấtlàmviệc(MPa)

Ápsuấtthử(MPa)

1.1.2 Hệ thống thu gom dầu trên các giàn mini MSP

Tính đến nay phần lớn trên các giàn MSP ở phía Bắc mỏ Bạch Hổ đã khai tháctừ 26÷31 năm Để tiếp tục giữ cho các giàn MSP ở trạng thái kỹ thuật bình thường vàđáp ứng được yêu cầu sản xuất ở “Vietsovpetro” đã tiến hành các hoạt động sửa chữalớn Mặt khác, để giảm chi phí vận hành và đảm bảo thực hiện được một số chức năngphù hợp với tình hình hiện nay một số giàn MSP (MSP 3, 5, 6 và 7) đã được hoán cảitổ hợp công nghệ thành giàn mini MSP

Sau khi hoán cải, các Block-Module 9, 10, 11, 12, 13, 14 đã được cắt bỏ hoàntoàn hệ thống bình tách thấp áp cấp II cùng các máy bơm vận chuyển dầu không đượcdùng đến

Dầu khai thác từ giếng được tách sơ bộ khí trong các bình tách khí bậc 1 trêngiàn và sau đó được thu gom về giàn trung tâm để tách khí bậc 2 Như vậy, sơ đồ thugom dầu trên giàn mini MSP sau khi hoán cải đã chuyển từ sơ đồ thu gom hở sang sơđồ thu gom kín Việc áp dụng công nghệ này cho phép tiết kiệm năng lượng bơm vàgiảm thiểu thiết bị vận hành trên giàn MSP Ngoài ra còn tăng cường khả năng lưuchuyển của hỗn hợp dầu trong đường ống nhờ một lượng khí hòa tan

1.1.3 Hệ thống thu gom dầu trên các giàn nhẹ

Tại các giàn nhẹ hỗn hợp dầu khí được vận chuyển theo một đường ống đưa vềgiàn công nghệ trung tâm Tại giàn công nghệ trung tâm dầu được tách khí, tách nước.Khí được dẫn đến giàn nén khí, còn dầu theo đường ống ngầm đến tàu chứa Khi vậnchuyển hỗn hợp dầu khí theo một đường ống từ các giàn nhẹ về giàn công nghệ trungtâm luôn xảy ra hiện tượng xung động áp suất và xung động lưu lượng Để giảm xung,trên các giàn nhẹ ngoài các thiết bị đo còn lắp thêm các bình tách khí sơ bộ Bình táchkhí sơ bộ dạng hình trụ nằm ngang, kích thước nhỏ gọn và công suất được thiết kếtương ứng với công suất lớn nhất của giàn nhẹ là 6000T/ngày đêm, áp suất là việc thiết

kế là 45kG/cm2, tuy nhiên áp suất là việc thực tế thay đổi từ 16÷24 kG/cm2 tùy thuộcvào chế độ công nghệ Dầu sau khi được tách khí sơ bộ bằng áp lực tự nhiên theođường ống riêng đến giàn công nghệ trung tâm xử lý tiếp theo Kích thước các đườngống thu gom từ các giàn nhẹ về giàn công nghệ trung tâm là 219*12mm,

1.2 SƠ ĐỒ THU GOM

Việc phân chia các sơ đồ thu gom thường căn cứ vào áp suất làm việc của thiết

bị đo tách tại các trạm khu vực, được phân chia ra hệ thống kín, hệ thống hở; căn cứvào đặc điểm địa hình: trên đất liền, ngoài biển, địa hình phẳng hoặc dốc, căn cứ vàotính chất hóa lý của dầu như dầu nặng nhẹ, dầu nhiều paraffin, dầu nhiều lưu huỳnh…Khi thiết kế một hệ thống thu gom cần phải căn cứ vào yếu tố tự nhiên và khả năng kỹthuật, bao gồm: khả năng mặt bằng, địa hình của mỏ, khí hậu của vùng, năng lượng vỉa(áp suất, nhiệt độ), tính chất hóa lý của chất lưu Về phương diện kỹ thuật phải căn cứvào nguyên tắc, sơ đồ hệ thống đã lựa chọn, các phương pháp tác động vào vỉa và giátrị áp suất miệng giếng khi khai thác

1 Miệng giếng khai thác; 4 Đường gom khí;

2 Ống xả; 5 Đường gom dầu;

3 Thiết bị tách đo; 6 Bơm

Sơ đồ thu gom hở có ưu việt là việc đo lường cho các giếng chính xác vì áp suấtthấp, giá trị dao động nhỏ, mặt khác giá trị áp suất miệng giếng bé nên có thể kéo dài khảnăng tự phun, giảm được chi phí năng lượng khi khai thác cơ học (gaslift, bơm) Ngoài ra,

do giá trị áp lực thấp nên mức độ an toàn khi vận hành cao

Tuy vậy, trong thời gian gần đây, ở các mỏ hiện đại, các sơ đồ này không cònđược sử dụng do các hạn chế lớn Trước hết chi phí đầu tư cao, do phải đầu tư haituyến ống riêng biệt, do phải trang bị thêm các trạm bơm, việc vận hành phải sử dụngnhiều nhân lực Khi dùng sơ đồ này, sự hao hụt dầu tương đối cao từ 3÷5% do sự bayhơi thành phần nhẹ vào trong khí quyển

b Sơ đồ thu gom kín

Hình 1.2: Sơ đồ thu gom kín.

Trong đó: 1.Miệng giếng khai thác; 4 Đường gom khí;

2 Ống xả; 5 Đường gom dầu;

3 Thiết bị tách đo; 6 Đường gom hỗn hợp;

7 Đường xả một phần khí

Nguyên lý hoạt động :

Trong sơ đồ thu gom kín (hình 1.2), áp suất của bình tách đo tại các trạm có giá

trị lớn, khí sau khi được tách để thực hiện việc đo lường, phần lớn hoặc toàn bộ đượcgộp lại với dầu và chảy cùng một ống gom còn gọi là sơ đồ một tuyến ống Trong ốnggom, dòng chảy là dòng hai pha khí - lỏng.

1.2.2 Sơ đồ thu gom mỏ Bạch Hổ

BT7 BK9

BK5

BK4 BK6

1.3 QUÁ TRÌNH THU GOM VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ Ở MỎ BẠCH HỔ

Mỏ Bạch Hổ nằm ở lô 9 trong bể Cửu Long do XNLD “Vietsovpetro” điều hành,cách thành phố Vũng Tàu 150km về phía Đông Nam và được đưa vào khai thác từnăm 1986 Đây là mỏ dầu lớn nhất tại Việt Nam với tỷ phần khai thác chiếm hơn 3/4tổng số dầu khai thác từ tất cả các mỏ đang khai thác tại Việt Nam

Ở khu vực phía Bắc của mỏ, dầu được khai thác từ tầng móng, Oligoxen dưới vàMioxen dưới Ở đây, người ta xây dựng các giàn khoan cố định để khoan tối đa 16giếng bằng kỹ thuật khoan định hướng, giàn đồng thời là trạm thu gom khu vực cónhiệm vụ xử lý chủ yếu là tách pha

Ngoài các thiết bị tách chuyên dụng như đo, gọi dòng, gaslift sử dụng cho cácgiếng riêng biệt theo từng thời điểm, còn lại quá trình tách tổng được thực hiện theohai bậc, với áp suất bậc I từ 14÷16 kG/cm2 và bậc II với áp suất 1,5÷3 kG/cm2

Từ đây, dầu với hàm lượng nước khoảng 15% được bơm về tàu chứa (kho nổichứa - xuất dầu) để xử lý; còn khí được chuyển theo đường ống riêng về giàn nén khítrung tâm Sơ đồ thu gom dầu trên các giàn cố định làm việc theo nguyên tắc hở Ởkhu vực trung tâm người ta xây dựng các giàn nhẹ Sản phẩm khai thác từ giàn nhẹ ởdạng hỗn hợp dầu khí hay dầu bão hòa khí được vận chuyển về giàn công nghệ trungtâm số 2 (CPP-2), số 3 (CPP-3) để tách khí và tách nước triệt để Các giàn nhẹ thườngđược xem là các cụm đầu giếng, việc thu gom được thực hiện theo nguyên tắc kín, khíchỉ được tách sơ bộ để đo và hỗn hợp sẽ tự chảy về giàn công nghệ trung tâm

Chi tiết về quá trình thu gom sản phẩm khai thác ở mỏ Bạch Hổ được tiến hànhnhư sau: Sản phẩm khai thác trên giàn BK-1, BK-2 và BK-3 được đưa về CPP-2 đểtách khí và tách nước Sau đó dầu đã được tách khí và nước được bơm đến kho nổichứa xuất dầu số 1 (UBN-1) “Ba Vì”, một phần theo chu kỳ được chuyển đi UBN-4

“Vietsovpetro- 01” Sản phẩm từ BK- 4, 5, 6, 8 và 9 theo các đường ống bọc cáchnhiệt được vận chuyển về CPP-3

Sau khi được tách khí và nước, dầu được bơm đi UBN-4 và UBN-3 “Chí Linh”.Vào cuối năm 2003, mỏ Bạch Hổ đã tiến hành thử nghiệm công nghiệp vận chuyểnsản phẩm không dùng máy bơm từ giàn cố định MSP-7 về MSP-5 và từ MSP-6 vềMSP-4, sau đó hỗn hợp dầu bão hòa khí được tách khí triệt để và bơm về UBN

Việc thu gom sản phẩm các giàn MSP phía bắc mỏ Bạch Hổ được thực hiện nhưsau: Trước khi đưa đường ống bọc cách nhiệt MSP-4→ MSP-9 vào làm việc, dầu từ

các MSP phía Bắc (3, 4, 5, 6, 7, 8) được bơm theo tuyến đường ống 7→MSP-5→MSP-3→ MSP-4→ MSP-8 qua MSP-1, BK-2 và giàn ống đứng RBsang UBN-4 Sau khi đưa tuyến đường ống bọc cách nhiệt từ giàn MSP-4→MSP-9vào làm việc, việc thu gom dầu trong nội mỏ có sự thay đổi Hỗn hợp dầu bão hòa khíđược vận chuyển từ giàn MSP-6→ MSP-4, sau khi tách khí cùng với sản phẩm củagiàn MSP-4 được bơm sang MSP-9 theo tuyến ống MSP-4→ MSP-9 Cùng đến MSP-

MSP-9 còn có sản phẩm đã tách khí của MSP-3,5,7 và MSP-10,11 Từ MSP-MSP-9 dòng sảnphẩm sẽ đi theo tuyến ống MSP-9→ BK-3→ CPP-2 sau đó được đưa đến UBN-1 Sảnphẩm của MSP-1 và BK-7 được tách khí trên giàn MSP-1 sau đó được bơm trực tiếpđến UBN-1 Vào cuối tháng 4 năm 2006, sau khi xảy ra sự cố vỡ đường ống dẫn dầutừ MSP-3→ MSP-4, việc thu gom dầu trong khu vực nội mỏ đã có sự thay đổi Hỗnhợp dầu bão hòa khí từ MSP-6 được vận chuyển sang MSP-4 để tách khí cùng với sảnphẩm trên MSP-4, sau đó được bơm sang MSP-9 theo tuyến đường ống MSP-4→MSP-9 Hỗn hợp dầu bão hòa khí từ giàn MSP-7 được vận chuyển sang MSP-5 đểtách khí Sản phẩm của giàn MSP-5,7 sau khi tách khí cùng với sản phẩm của giànMSP-3 được bơm qua MSP-9 theo tuyến đường ống MSP-5→ MSP-10→ MSP-9, sau

đó cùng với sản phẩm đã tách khí của MSP-9,10,11,4 và MSP-6 được vận chuyển đếnCPP-2 Sản phẩm của MSP-8 sau khi tách khí được bơm về MSP-1, cùng với sảnphẩm của MSP-1 chuyển sang CPP-3 để xử lý tiếp theo bơm sang UBN-4

Giàn CPP-2 và CPP-3 thu nhận sản phẩm đến từ các BK và dầu đã tách khí đếntừ các MSP để tách khí và nước sơ bộ trong bình tách ba pha, sau đó chất lỏng đượcđưa qua bình tách nước sử dụng điện trường cao để tách nước triệt để Dầu thươngphẩm từ CPP-2 và CPP-3 được bơm đi UBN-4, UBN-1, trong trường hợp cần thiết cóthể bơm sang UBN-3

Tại các tàu chứa, dầu tiếp tục được xử lý để tách khí, tách nước Trên tất cả cácUBN công nghệ xử lý dầu đến chất lượng thương phẩm được thực hiện bằng phươngpháp lắng đọng trong bể công nghệ ở nhiệt độ 50 ÷ 60oC Ngoài ra, trên UBN-3 cònlắp đặt thêm thiết bị tách nước sử dụng điện trường cao Dầu được xử lý nước tới hàmlượng 0,5 %, nước sau khi xử lý sẽ xả ra biển

Mỏ Bạch Hổ hiện có 02 giàn nén khí: giàn nén nhỏ (MKS) ở cạnh MSP-4 vàgiàn nén lớn (CKP) bên cạnh CPP-2 Khí cao áp từ các giàn MSP phía Bắc được đưa

về MKS, còn CKP thu nhận khí cao áp của MSP-1,8,9,10 và MSP-11, BK-3,4,5,6,8,

CPP-2 và CPP-3 Trên các MSP, khí bậc một đã được thu gom, còn khí bậc tách thứhai (trong bình 100m3) hiện đốt bỏ trên fakel của MSP Khí bậc tách 1 trên CPP-2 vàCPP-3 được thu gom thẳng về CKP mà không sử dụng máy nén khí Trên CKP vàMKS, khí được xử lý và nén lên áp suất khoảng 120 at, sau đó theo đường ống ngầmđược vận chuyển về nhà máy chế biến khí trên bờ.

Hiện nay, mỏ Bạch Hổ sử dụng chủ yếu là sơ đồ thu gom kín Vì nó có các ưuđiểm sau:

- Dòng chảy trong ống gom gồm hai pha khí lỏng, tốc độ lớn và tốc độ sẽ tăng dầntheo chiều dài tuyến ống, giảm sự lắng đọng của vật liệu cơ học Đặc biệt với dầu cónhiều paraffin, hỗn hợp lỏng khí hạn chế sự kết tinh và cùng với tốc độ lớn sẽ góp phầnngăn ngừa sự lắng đọng, giảm nguy cơ tắc nghẽn đường ống

- Giảm kinh phí đầu tư và vận hành nhờ tiết kiệm được kim loại, giảm được sốlượng nhân lực vận hành, giảm được công suất bơm đẩy

- Sơ đồ cho phép tăng khả năng tự động hóa

Bên cạnh những ưu điểm thì sơ đồ thu gom kín cũng tồn tại những nhược điểm nhấtđịnh như:

- Đo lường không chính xác do áp lực bình tách đo cao và khó loại trừ các va đập

áp suất

- Đòi hỏi áp lực miệng giếng cao nên sẽ giảm thời gian tự phun và khi chuyểnqua khai thác cơ học sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn

- Có thể xảy ra rò rỉ qua các đầu mối, van…

- Các dao động áp suất với biên độ lớn có thể làm đứt đường ống, làm mất tácdụng các thiết bị đo - kiểm tra, chất lượng tách khí của thiết bị tách sẽ xấu đi và có thểlàm gián đoạn sự làm việc ở các giếng tự phun Khi thiết bị tách làm việc kém dẫn tớihàm lượng khí ở các trạm chứa thương mại cao, có thể gây ra các sự cố nghiêm trọngnhư cháy, nổ, ngộ độc

Tùy theo từng trường hợp cụ thể người ta sẽ cân nhắc sử dụng sơ đồ thu gom kínhay hở

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DÒNG CHẢY TRONG ĐƯỜNG ỐNG VẬN CHUYỂN DẦU THÔ

2.1 CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA DẦU MỎ

2.1.1 Thành phần dầu mỏ, phân loại dầu mỏ

Thành phần chủ yếu của dầu mỏ là hydrocacbon, và theo tính chất hóa lý người

ta chia nó làm 3 loại:

- Paraffin

- Naften

- Hydrocacbon thơmThực tế trong dầu còn rất nhiều nhựa và asphalten Hàm lượng 3 loạihydrocacbon kể trên thay đổi tùy theo đặc điểm cấu tạo dầu mỏ và dựa vào đó người tachia dầu mỏ ra làm nhiều dạng khác nhau: dầu paraffin, dầu naften, dầu paraffin-naften…

Dựa vào cấu trúc mạch thẳng cacbon, paraffin được chia thành: paraffin mạchthẳng và paraffin mạch nhánh Ở điều kiện thường hydrocacbon có cấu tạo mạch từ C1đến C4 (C4H10) ở trạng thái khí, từ C5 (C5H12) đến C15 (C15H32) trạng thái lỏng và C16(C16H34) trở lên ở trạng thái tinh thể rắn

Yếu tố ảnh hưởng tới các tính chất cơ học và độ nhớt của dầu là paraffin rắn.Paraffin rắn ở dạng tinh thể màu trắng, không hòa tan trong nước nhưng dễ hòa tantrong benzen Paraffin trong dầu có thể hiểu là một hỗn hợp hydrocacbon đơn chất chủyếu mạch thẳng và một phần paraffin mạch nhánh Nhiệt độ nóng chảy của cácparaffin rắn nằm trong khoảng 22÷85oC Đối với hỗn hợp nhiệt độ này khó được xácđịnh

Hydrocacbon rắn ở dạng tinh thể có khối lượng phân tử và nhiệt độ sôi tươngđối lớn, gồm những chất như: naften, hydrocacbon nhân thơm, paraffin mạch nhánhđược gọi chung là xerezin Nhiệt độ nóng chảy của xerezin trong khoảng 65÷90 oC.Paraffin rắn và xerezin rất dễ hòa tan trong dầu và tạo thành dung dịch phân tử Nhiệt

độ nóng chảy của paraffin càng nhỏ thì nhiệt độ hòa tan trong dầu càng tăng

Naften có công thức CnH2n, CnH2n-2 … Phân tử naften là một vòng kín có thêmvài hydrocacbon mạch thẳng (CH3-) Phần lớn trong tất cả các loại dầu đều chứanaften có cấu trúc vòng 5 hoặc vòng 6 So với paraffin mật độ của naften lớn hơn, ápsuất hơi bề mặt nhỏ hơn và khả năng hòa tan của naften trong dầu cũng lớn hơn.

Hydrocacbon thơm (CnH2n-6, CnH2n-12 …) có cấu trúc phân tử chủ yếu là nhânbenzene Tỷ trọng và nhiệt độ sôi tương đối lớn (ngoại trừ benzene sôi ở 80oC), nếu sosánh với Paraffin và naften, khả năng hòa tan của hydrocacbon thơm trong dầu lớn hơnrất nhiều

Đặc biệt trong dầu còn có nhựa smol và asphalten

- Nhựa smol là chất phân cực và cũng là chất hoạt tính bề mặt, có khối lượngphân tử 500÷1200 Độ đặc của dầu mỏ nhiều smol bị thay đổi rất nhiều khi có sự tăngtrưởng về khối lượng phân tử của nhựa smol Trong thành phần nhựa smol chủ yếu kếthợp những chất như: hợp chất có oxy, lưu huỳnh và cả hợp chất có nitơ

- Nhựa asphalten là hợp chất cao phân tử trong dầu mỏ, về mặt cấu trúc giốngnhư nhựa smol nhưng có khối lượng phân tử lớn hơn gấp 2÷3 lần Nhựa asphalten ởdạng rắn màu đen Độ hòa tan của smol và asphalten thay đổi tùy theo khối lượngphân tử của chúng Smol dễ hòa tan trong xăng, dầu hỏa, phân đoạn dầu nhờn.Asphalten không hòa tan trong môi trường hydrocacbon nhẹ nhưng dễ dàng phân tánvào benzene và tạo thành dung dịch keo

2.1.2 Mật độ dầu và khí

*Mật độ dầu (khối lượng riêng): là một trong những thông số quan trọng ảnh

hưởng đến chất lượng dầu

Mật độ dầu thương phẩm thường dao động từ 770÷970 kG/m3 Chúng dao độngngay cả ở từng mỏ vì đa số các mỏ thường có các vỉa dầu khác nhau Theo quy tắc độsâu của vỉa sản phẩm càng lớn thì mật độ dầu càng giảm Mật độ dầu phụ thuộc vàothành phần và hàm lượng chung của các phần tử lưu huỳnh và nhựa asphalten-smolnặng Dầu gốc paraffin có mật độ từ 750÷800 kG/m3, gốc naften 820÷860 kG/m3 vàgốc thơm 860÷900 kG/m3

Mật độ dầu trong quá trình khai thác, thu gom và xử lý có thể thay đổi phụthuộc vào nhiệt độ, hàm lượng khí-dầu và nước vỉa nhũ tương hóa Ảnh hưởng củanhiệt độ đến sự biến đổi mật độ dầu, được biểu diễn bằng phương trình D.I mendelecv

 

Trong đó:

ρt :mật độ dầu ở nhiệt độ nghiên cứu;

β: hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ, với giá trị có thể tính theo công thức:

Vì vậy, giá trị của các hệ số α và β trùng nhau khi ở điều kiện t1=t2=0oC

Giá trị của hệ số α cần được xác định khi tính toán bể chứa, bể lắng và các bểchứa dầu khác ở điều kiện nhiệt độ khác nhau

Mối quan hệ giữa thể tích dầu với nhiệt độ như sau:

2.1 2

2.1 1

1 1

20 20 1

(2.7)Với các hiệu chỉnh sau đây:

φ) và độ khoáng hóa nước:phần trăm thể tích của pha phân tán

   : mật độ tương ứng của hệ nhũ tương, dầu sạch và nước vỉa, kg/m3

Đối với nhũ tương dầu bão hòa khí mật độ của hệ được tính theo công thức:

 1 

(2.11)Trong đó:

m và m0 là khối lượng khí và không khí, chiếm cùng một thể tích ở áp suất p vànhiệt độ t.

Để nhận mật độ khí ở đơn vị tuyệt đối, giá trị t p, 

cần phải nhân với mật độkhông khí khô ở điều kiện bình thường (1,293 kg/m3):

PV PV

P -áp suất của khí chiếm thể tích V ở nhiệt độ T;

0

P - áp suất chuẩn;

T0- nhiệt độ tuyệt đối (273oK);

V0- thể tích khí chiếm chỗ ở điều kiện P0, T0

2.2 DÒNG CHẢY HAI PHA TRONG ĐƯỜNG ỐNG

Động lực học của dòng chảy một pha trong đường ống được hiểu ở thời điểm

hiện tại là cả sụt áp so với hoạt động tốc độ dòng chảy và các quá trình truyền nhiệtcho đường ống vận chuyển một pha có thể được xác định một cách đơn giản Đồngthời các dòng chảy của chất lỏng trong đường ống là phức tạp trong suốt quá trình vậnchuyển Chúng ta xét một đường ống vận chuyển cả khí và lỏng, như sơ đồ trong hình2.1 Các thông số điển hình của dòng chảy gồm có khối lượng hoặc thể tích dòngchảy, tính chất vật lý của chúng, đường kính ống và góc nghiêng Những dữ liệu này là

đủ cơ sở để tính toán dòng chảy một pha Tuy nhiên, đối với các hệ thống dòng chảyhai pha, đòi hỏi bổ sung thêm những thông tin Điều này được mô tả trong phần tiếptheo

Hình 2.1: Sơ đồ của dòng hai pha lỏng – khí trong ống

* Sự trượt và sự tắc nghẽn

Hình 2.2 là sơ đồ mô tả mối liên hệ giữa sự trượt và tắc nghẽn của dòng chảyliên tục, theo đó pha khí và pha lỏng được tách ra, dưới dạng các dòng chảy phân lớp.Trên hình 2.2 phần A biểu thị cho các trường hợp có trạng thái không trơn trượt, trong

đó khí và pha lỏng di chuyển cùng một vận tốc, cụ thể là νG = νL

Theo quy luật tự nhiên, trong điều kiện không trơn trượt cả hai pha di chuyển cùngmột vận tốc, sự tắc nghẽn của chất lỏng bằng với tỷ lệ lưu lượng thể tích của chấtlỏng với tổng lưu lượng thể tích Trong điều kiện xảy không ra sự trượt, ví dụ trongdòng đồng nhất hoặc chảy phân tán bọt, với tốc độ dòng dung dịch cao và dòng khíthấp Trong điều kiện dòng chảy dạng này, pha khí được phân tán thành các bọt nhỏtrong chất lỏng Do tốc độ chảy của chất lỏng cao, các bọt khí chuyển động cùng pha

lỏng ở cùng một vận tốc, kết quả là không có sự trượt Như vậy, đối với trạng tháidòng chảy này, tại vị trí tắc nghẽn ta có HL-λL (the no-slip liquid holdup, namely,

HL-λL)

Hình 2.2: Sơ đồ mối quan hệ giữa sự trượt và sự tắc nghẽn của dòng chảy

Thông thường, chất khí và chất lỏng có vận tốc chuyển động khác nhau, sựtrượt diễn ra giữa hai pha Việc pha khí chuyển động với một vận tốc cao hơn phalỏng do lực ma sát thấp Trên khía cạnh về tính liên tục, nếu pha khí di chuyển nhanhhơn so pha lỏng (hình 2.2 phần B), tại vị trí diện tích mặt cắt ngang của ống ta thấypha khí giảm trong khi đó pha lỏng tăng lên Điều này dẫn đến sự tích tụ của chấtlỏng trong đường ống Lấy ví dụ cho trường hợp dòng chảy dạng bọt trong ốngthẳng đứng, tốc độ của chất lỏng thấp Trong khi đó pha khí di chuyển nhanh hơn sovới pha lỏng, hoặc có thể trượt qua nó,với vận tốc v0 (vận tốc bọt nổi lên) Điều nàysẽ dẫn đến sự tắc nghẽn của chất lỏng là cao (HL> λL)

Trường hợp đặc biệt, đối với dòng chảy xuống, trong điều kiện tốc độ dòng

khí rất thấp, pha lỏng có thể di chuyển nhanh hơn so với pha khí vì lực hấp dẫn Đốivới trường hợp này, sự tích tụ của chất lỏng là ít hơn (HL< λL).

2.3 MÔ HÌNH DÒNG CHẢY TRONG ĐƯỜNG ỐNG VÀ PHÂN LOẠI

Sự khác biệt cơ bản giữa dòng một pha và dòng chảy hai pha khí-lỏng là sự tồntại của chế độ dòng chảy trong dòng chảy hai pha Các mô hình dòng chảy giới hạn đềcập đến cấu hình hình học của pha khí và pha lỏng trong ống Khi khí và dòng chấtlỏng chảy đồng thời trong ống, hai pha có thể tự phân bố trong ống tạo nên các cấuhình dòng chảy

Các mô hình dòng chảy hiện tại đối với hệ thống dòng chảy hai pha phụ thuộcvào các yếu tố sau:

• Các thông số hoạt động, khí và tốc độ chảy của chất lỏng

• Sự thay đổi hình học, trong đó có đường kính ống và góc nghiêng

• Các tính chất vật lý của hai pha khí và mật độ chất lỏng, độ nhớt và sức căng bề mặt

Việc xác định mô hình dòng chảy là một vấn đề trọng tâm trong phân tích dòngchảy hai pha Thực tế tất cả các tham số thiết kế của dòng chảy rất lệ thuộc vào môhình dòng chảy hiện tại Các tham số thiết kế là sự giảm áp lực, tình trạng tích chấtlỏng, nhiệt độ và các hệ số chuyển khối lượng, phân bố thời gian cư trú, và tốc độ phảnứng hóa học

2.3.1 Dòng chảy ngang và gần ngang

Các mô hình dòng chảy có thể được phân loại là dòng chảy phân lớp (phân phẳng và phân lớp-gợn sóng), dòng chảy liên tục

lớp-Hình 2.3: Mô hình dòng chảy nằm ngang và gần ngang.

Dòng chảy phân lớp (Stratified Flow): mô hình dòng chảy này xảy ra khi tỉ lệpha khí thấp Do tác dụng của lực hấp dẫn hai pha được tách ra, pha lỏng chảy ở dướicùng của đường ống và pha khí ở trên Các mô hình dòng chảy phân lớp được chiathành phân lớp-phẳng (Stratified-Smooth), và phân lớp-gợn sóng (Stratified-Wavy),trường hợp phân lớp-gợn sóng thường xảy ra khi tỉ lệ pha khí tương đối cao

Dòng chảy gián đoạn (Intermittent Flow), là đặc trưng của dòng chảy thay thếchất lỏng và khí Các chất lỏng thể nhớt có thể ngậm bọt khí, thường tập trung hướng

về phía trước của nút và đầu của đường ống Mô hình dòng chảy gián đoạn được chiathành mô hình nút (Slug) và bọt khí giãn nở (Elongated-Bubble-EB) Các chế độ dòngchảy của nút và các mô hình bọt khí giãn nở có sự tương đồng Các mô hình bọt khígiãn nở được coi là trường hợp giới hạn của dòng chảy nút Điều này xảy ra khi hàmlượng pha khí ở mức tương đối thấp

Dòng chảy hình khuyên (Annular Flow): xảy ra khi hàm lượng khí rất cao Ởlõi thường có pha khí chuyển động với vận tốc cao, tại đây có thể bao gồm những giọt

chất lỏng bị cuốn theo Chất lỏng tạo thành một màng mỏng quanh thành ống Màngchất lỏng ở phía dưới thường dày hơn ở phía trên tùy thuộc vào độ lớn tương đối củakhí và tốc độ chảy chất lỏng Với tốc độ dòng khí thấp nhất, hầu hết các chất lỏng chảy

ở dưới cùng của đường ống, trong khi sóng không ổn định ngậm khí được cuốn quanhngoại vi ống và thường xuyên dính ướt trên thành ống, dòng chảy này xảy ra trên ranhgiới chuyển tiếp giữa phân lớp-gợn sóng, dòng chảy hình khuyên Dựa trên các địnhnghĩa và cơ chế của dòng chảy nút và dòng hình khuyên, chế độ này được gọi là gợnsóng-hình khuyên (Wavy-Annular) và được phân loại như là một nhóm con của dòngchảy hình khuyên

Dòng chảy phân tán-bọt khí (Dispersed-Bubble Flow) Tại tốc độ chảy của chấtlỏng rất cao, pha lỏng là pha liên tục, trong đó pha khí được phân tán như bọt khí rờirạc Việc chuyển đổi sang mô hình dòng chảy này được xác định bằng các điều kiệnnơi bọt khí đầu tiên bị đình trệ trong túi khí chất lỏng hoặc khi nào mà chạm vào phầntrên của đường ống và bị phá hủy Khi điều này xảy ra, hầu hết các bọt khí nằm gầnthành ống trên So với mức chất lỏng cao hơn, các bọt khí được phân tán đều trongtoàn bộ khu vực mặt cắt ngang của đường ống

2.3.2 Cấu trúc dòng chảy của hỗn hợp dầu-khí trong ống nằm ngang

Cấu trúc dòng chảy của hỗn hợp dầu - khí trong ống nằm ngang rất da dạng,phong phú Trên cơ sở các khảo sát trực quan, các nhà nghiên cứu đã phân chia ra cácdạng cấu trúc dòng chảy của hỗn hợp dầu - khí như sau:

a Dòng chảy dạng bọt (Hình 2.4a)

Pha khí trong dòng chảy dạng bọt riêng biệt, được phân tán trong môi trường dàyđặc của chất lỏng Hàm lượng khí tăng cao ở phần trên của đường ống (Hình 2.4a).Với vận tốc chuyển động cao, chế độ đồng dạng ít được tạo thành

b Dòng chảy phân lớp (Hình 2.4c)

Các pha khí và lỏng phân chia hoàn toàn và chuyển động theo lớp: chất lỏng chảytheo phần dưới ống, khí - phía trên ống Ranh giới phân chia giữa các pha - phẳng(Hình 2.4c)

c Dòng chảy sóng phân lớp (Hình 2.4d)

Pha lỏng và khí riêng biệt Trên bề mặt của lớp chất lỏng, quan sát có sóng lớn.Chế độ như thế xuất hiện từ những dòng chảy phân lớp khi tăng vận tốc chuyển động

của khí (Hình 2.4d).

Dạng chảy sóng với những lớp chắn (sóng tán xạ):

Được tạo thành khi tiếp tục tăng vận tốc chuyển động của khí Sóng được trở nêncao đạt tới phần trên của ống Chúng chuyển động với vận tốc lớn và làm ướt toàn bộ

tỷ số giữa tỷ trọng các pha, so với nước ở điều kiện tiêu chuẩn.

Trên hoành độ là hàm số không thứ nguyên (Lλψ/G), trong đó:

L - Lưu lương chất lỏng; ψ- Tham số không thứ nguyên phụ thuộc vào giá trị sứccăng bề mặt, độ nhớt động và tỷ trọng của pha lỏng

0.1 1 10 100 1000

10.000

Lλψ/G G

Hình 2.5: Biểu đồ Baker.

1 Dòng chảy dạng bọt; 2.Dòng chảy phân lớp;

5 Dòng chảy tán xạ; 6 Dòng chảy hình khuyên;

7. Dòng chảy tán xạ (nhũ “dầu trong nước”)

Những tập lỏng-khí chuyển động liên tiếp nhau theo dòng chảy dạng nút trongống dẫn Mỗi tập lỏng - khí (Hình 2.6) gồm:

- Nút chất lỏng phủ đều theo tiết diện ống dẫn

- Nút khí chiếm một phần tiết diện và phân bố giữa những nút lỏng kế cận.

- Lớp chất lỏng bám sát thành ống và chuyển động dưới nút khí

Chiều dài nút chất lỏng và đặc biệt là nút khí thường lớn hơn đường kính ốngnhiều lần

Trên cơ sở phân tích ảnh chụp ống dẫn trong suốt có chứa chất lỏng cùng các hạttương phản, người ta thu được sơ đồ cấu trúc dòng chảy dạng nút trong ống dẫn nằmngang

Trên hình 2.6 mô tả một lớp lỏng - khí chuyển động dọc đường ống từ trái quaphải với vận tốc u, dễ dàng nhận thấy rằng chuyển động của các nút trong chất lỏng,trong lớp khí trên phần lớn chiều dài ống là cùng chiều Nhưng ở đoạn đầu và cuối củanút lỏng xuất hiện những tuyến ngắn (tuyến trước và tuyến sau) của nút, ở đó có dòngchảy rất phức tạp Trạng thái của các tuyến đó xác định sự tồn tại của dòng chảy dạngnút cũng như đặc điểm của nó

Hình 2.6: Sơ đồ một nút lỏng-khí trên ống nằm ngang.

1- Lớp lỏng; 2- Nút khí; 3 và 5- Ranh giới vùng xoáy của tuyến sau và trước; 4 và Các vòng xoáy của tuyến sau và trước; 7 và 9- Tuyến trước và tuyến sau của nút lỏng; 8- Nút lỏng; 10- Đường chuyển động của các phần chất lỏng ngoài vòng xoáy; 11- Ranh giới khí- lỏng; 12- Thành ống

6-Dòng chảy dạng nút có thể hình dung là kết quả tương tác qua lại của các nhân

tố, thành phần của lớp khí, lỏng Trong ống dẫn nằm ngang nút lỏng di chuyển dưới sựtác động của chênh lệch áp suất trong các nút khí kế cận, và lực ma sát trên thành ống

sẽ cản lại sự chuyển động đó Chất lỏng tách ra từ các tuyến được chuyển qua tuyến trước vào nút lỏng và chảy qua tuyến sau

Hình 2.7: Sơ đồ tuyến sau ở chế độ trọng trường (1-2: Mặt cắt ngang trước và sau vùng nghiên cứu)

Tại tuyến sau: Chất lỏng không phân bố đều theo tiết diện ống dẫn (như trong nút

nói trên) mà tạo thành X lớp

Lớp chất lỏng và nút khí: Nút lỏng chuyển động về phía trước, để lại một lớp chấtlỏng sau tuyến sau và trên lớp lỏng là nút khí

Tại tuyến trước: cấu trúc tuyến trước tương tự như bước nhảy thủy lực, phần

trước nó gồm có vùng chất lỏng chảy tới (dòng trung chuyển) và vùng chảy ngược, ởtuyến trước chất lỏng tạo nên dòng trung chuyển chảy từ lớp lỏng vào nút lỏng (Hình2.6), vùng chảy ngược gồm những mạch xoáy theo trục ngang vuông góc với trục ốngdẫn Mỗi vòng xoáy chiếm cả chiều cao dòng chảy trên dòng trung chuyển Tất cảvòng xoáy quay theo một hướng và xoáy vào lớp chất lỏng

2.3.3 Dòng chảy trong ống đứng

Trong điều kiện ống đứng chế độ phân lớp sẽ không còn và thay vào đó là một

mô hình dòng chảy mới đó là dòng chảy rối (Churn) Dòng chảy dạng này thường đốixứng xung quanh trục ống và ít bị chi phối bởi lực hấp dẫn

Dòng chảy bọt khí (Bubble Flow): Trong dòng chảy bọt khí được phân tánthành kích thước nhỏ rời rạc, di chuyển lên trên theo đường zic trong một pha lỏng.Dòng chảy bọt xảy ra khi pha lỏng tương đối thấp và đặc trưng bởi sự trượt giữa phakhí và pha lỏng, dẫn đến khả năng tích tụ chất lỏng lớn

Dòng chảy nút (Slug Flow): Các chế độ dòng chảy nút trong ống thẳng đứngđối xứng xung quanh trục ống Các nút khí có dạng hình viên đạn, đường kính gầnbằng với đường kính ống.

Hình 2.8: Mô hình dòng chảy trong đường ống đứng.

Chảy rối (Churn): mô hình dòng chảy này được đặc trưng bởi sự dao động củapha lỏng trong quá trình chuyển động

Dòng chảy hình khuyên (Annlar Flow): Như trong trường hợp ngang, dòngchảy được đặc trưng bởi một lõi khí chuyển động nhanh với các giọt chất lỏng bị cuốntheo và một chuyển động màng chất lỏng chậm chảy quanh thành ống Dòng chảy hìnhkhuyên trong ống có đứng độ dày màng chất lỏng xung quanh thành ống tương đốiđều

Dòng chảy phân tán-bọt khí (Dispered-Bubble Flow): Tương tự như trường hợpdòng chảy trong ống ngang, dòng chảy phân tán-bọt khí trong đường ống đứng vànghiêng mạnh xảy ra khi lưu lượng chất lỏng tương đối cao, khí được phân tán nhưbong bóng rời rạc vào pha lỏng liên tục Đối với mô hình dòng chảy này, chất lỏng có

ưu thế hơn mang các bong bóng khí, và không có sự trượt xảy ra giữa các giai đoạn

Do đó, dòng chảy được coi là đồng nhất không trơn trượt

2.3.4 Dòng chảy trong ống nghiêng

Hình 2.9 trình bày mô hình dòng chảy trong ống nghiêng Đối với dòng chảyxuống chủ yếu là dòng chảy phân lớp - gợn sóng Theo quan sát trong dòng chảyngang, dọc, đi lên nghiêng và hướng lên trên, sự phân tán bọt khí và dòng chảy hìnhkhuyên xảy ra ở lưu lượng khí cao và lỏng cao Tương ứng, đối với dòng chảy xuống

mô hình dòng chảy phân lớp hầu như không còn và các chế độ hình khuyên cũng tồntại ở lưu lượng khí thấp

Hình 2.9: Mô hình dòng chảy trong toàn bộ phạm vi của các góc nghiêng.

Khi xác định một mô hình riêng biệt ta có thể dự đoán các đặc tính dòng chảy,chẳng hạn như giảm áp lực, tích tụ chất lỏng và hệ số truyền nhiệt

2.3.5 Xây dựng mô hình dòng chảy

Các cách tiếp cận trước đó đối các mô hình dòng chảy là cách tiếp cận thựcnghiệm Trong phương pháp này việc xác định mô hình dòng chảy được thực hiện chủ

yếu bằng cách quan sát trực quan Thông thường, dữ liệu được biểu diễn trên biểu đồhai chiều biểu thị ranh giới chuyển tiếp giữa các mô hình dòng chảy khác nhau, bản đồnhư thế được gọi là “Bản đồ mô hình dòng chảy trong ống nằm ngang” (Flow PatternMap - Hình 2.10).

Nhiều hệ thống khác nhau đã được đề xuất để xây dựng bản đồ mô hình dòngchảy, chẳng hạn như tỷ lệ khối lượng dòng chảy, chất bổ sung hoặc vận tốc bề ngoàiđược sử dụng bởi Mandhane Bản đồ Mandhane được xây dựng cho dòng chảy ngang

Hình 2.10: Bản đồ mô hình dòng chảy cho ống ngang [2]

Nhiều nhà nghiên cứu đã cố gắng để phát triển công dụng của bản đồ mô hìnhdòng chảy của họ bằng cách chọn tọa độ không thứ nguyên hoặc số hiệu chỉnh chotính chất vật lý của chất lỏng Một ví dụ về một bản đồ mô hình dòng chảy với hệ sốđiều chỉnh X và Y, cho đặc tính vật lý của chất lỏng là bản đồ Govier và Aziz (1972)thể hiện trong hình 2.11 Mô hình này được xây dựng cho dòng chảy thẳng đứng Tọa

độ không thứ nguyên đã được đề xuất bởi Griffith và Wallis (1961) và Spedding.Griffith và Wallis cho rằng sự chuyển đổi từ dòng chảy nút sang hình khuyên đượcchi phối bởi các nhóm không thứ nguyên VSG/VM và V2M/g.d

Trong các bản đồ mô hình dòng chảy, người ta thường đề cập đến công tácnghiên cứu thảo luận Baker (1954), người tiên phong trong lĩnh vực này Bản đồ mô

hình dòng chảy của ông đưa ra sử dụng tọa độ hỗn hợp không thứ nguyên, nơi GL và

GG là khối lượng dòng chảy của pha lỏng và pha khí (Hình 2.13)

Tương ứng, λ = [(ρg /0.075)( ρL/62.3)]1/2 và = 73/σ[(μL/1)(ρL/62.3)2]1/3 là hệ số điềuchỉnh cho đặc tính của pha lỏng trong các trường đơn vị

Hình 2.11: Bản đồ mô hình dòng chảy cho ống thẳng đứng [2].

Hình 2.12: Bản đồ mô hình dòng chảy cho ống thẳng đứng [2].

Những mô hình này được xây dựng dựa trên cơ sở vật lý, trong đó có việc xácđịnh các quá trình chuyển đổi giữa các chế độ lưu lượng khác nhau Một khi các cơchế chuyển tiếp được xác định, một mô hình toán học (cơ học) và biểu thức giải tíchranh giới chuyển tiếp có thể được phát triển Các mô hình kết hợp ảnh hưởng của cácbiến đầu vào, chẳng hạn như lưu lượng khí và lỏng (thông số hoạt động), đường kínhống và góc nghiêng (thông số hình học), và các tính chất vật lý của chất lỏng Do đó,

dự đoán của mô hình dòng chảy trong điều kiện dòng chảy khác nhau có thể được thực

hiện một cách đáng tin cậy hơn Ví dụ về mô hình cơ học như vậy là Taitel và Dukler(1976) và Taitel et al (1980) Như được trình bày ở Bản đồ mô hình dòng chảy Taitel

và Dukler tổng quát cho dòng chảy ngang và gần ngang được chi phối bởi bốn tọa độkhông thứ nguyên khác nhau Như vậy, mô hình sẽ có độ tin cậy hơn cho một loạt cácđiều kiện dòng chảy, cụ thể là tốc độ dòng chảy, đường kính ống, và các đặc tính chấtlỏng

Hình 2.13: Bản đồ mô hình cho đường ống ngang [2].

2.3.5 Mô hình dòng chảy phụ thuộc vào Gradient áp suất

Các thông số thiết kế bao gồm cả các gradient áp suất phụ thuộc rất nhiều vàocác mô hình dòng chảy hiện tại Hình 2.14 và hình 2.15 trình bày tổng gradient áp suấtcho các mô hình dòng chảy khác nhau trong ống nằm ngang và thẳng đứng Các dữliệu này theo báo cáo của Govier và Aziz [1] ở đường kính trong của ống 0,0254 m vớinước-không khí ở điều kiện tiêu chuẩn Trong đó hình 2.14 trình bày các dòng chảy

mô hình gradient áp suất cho dòng chảy ngang: Trục x là vận tốc không khí trên bềmặt; trục y là một tổng gradient áp suất không thứ nguyên và các tham số là vận tốcnước bề mặt Có thể thấy, vận tốc bề mặt khí và lỏng thấp, mô hình dòng chảy là phântầng bằng phẳng (Stratified-Smooth Flow), cho ra một gradient áp suất rất thấp Vậntốc chất lỏng trên bề mặt thấp khi vận tốc khí bề mặt được tăng lên lúc này chuyểnsang mô hình dòng chảy phân lớp - gợn sóng (Stratified-Wavy Flow), lúc này gradient

áp lực tăng Khi vận tốc khí bề mặt cao hơn, mô hình dòng chảy trở thành dòng chảyvành khuyên (Annular Flow) có gradient áp suất rất cao Mặt khác, việc giữ vận tốckhí trên bề mặt không đổi và tăng vận tốc chất lỏng, mô hình dòng chảy sẽ thay đổi từdòng chảy phân tầng sang dòng chảy gián đoạn (Elongated-bubble hoặc slug), và tăng

gradient áp suất Tiếp tục tăng vận tốc chất lỏng trên bề mặt (>5 ft/s) chuyển thànhdòng chảy phân tán-bọt khí và gradient áp suất rất cao, so với dòng chảy hình khuyên.Như vậy, đối với dòng chảy ngang khi tăng vận tốc khí hoặc chất lỏng cho kết quảtổng gradient áp suất cao hơn.

Đối với ống đứng kết quả gradient áp suất cho dòng chảy được trình bày tronghình 2.15, bằng cách sử dụng cùng một tọa độ như trong hình 2.14 Như có thể thấy,

so với dòng chảy ngang, dòng chảy thẳng đứng các đường cong gradient áp suất hiện ởmức tối thiểu

Hình 2.14: Mô hình dòng chảy gradient áp suất được xây dựng dòng chảy ngang [2].

Điều này là do sự tích tụ chất lỏng với lượng lớn xảy ra trong dòng chảy bọtlàm cho gradient áp suất trọng lực lớn Vận tốc chất lỏng trên bề mặt thấp làm chogradient áp suất thấp hơn Điều này là do thực tế với sự gia tăng của tốc độ dòng khí,các ngưng trệ chất lỏng giảm, dẫn đến một gradient áp lực trọng lực thấp hơn Khi vận