Nghiên cứu tìm hiểu dòng chảy đường ống và cơ chế tác động của hiện tượng va đập thủy lực CỦA hệ thống đường ống vận chuyển dầu thô ở mỏ Bạch Hổ

Ụ Ụ MỤ LỤ .......................................................................................................................1 MỞ ĐẦU .........................................................................................................................5 1.Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................................... 5 2 . Mục đích nghiên cứu...................................................................................................... 5 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................. 6 4. Nội dung nghiên cứu ....................................................................................................... 6 5. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................................ 6 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn........................................................................................ 6 HƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐƢỜNG ỐNG VẬN HUYỂN ................................7 1.1. H THỐNG THU GOM ẦU MỎ H 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. Ph n oại.......................................................................................................10 1.2.2. Sơ đồ thu gom mỏ ạch Hổ.........................................................................12 1.3. QUÁ TRÌNH THU GOM VẬN HUYỂN ẦU KHÍ Ở MỎ H HỔ ........ 14 HƢƠNG II: Ơ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ÒNG HẢY TRONG ĐƢỜNG ỐNG VẬN HUYỂN ẦU THÔ....................................................................................................17 2.1. Á TÍNH HẤT Ơ ẢN ỦA ẦU MỎ ....................................................... 17 2.1.1. Thành phần dầu mỏ, ph n oại dầu mỏ ........................................................17 2.1.2. Mật độ dầu và khí.........................................................................................18 2.2. ÒNG HẢY HAI PHA TRONG ĐƢỜNG ỐNG............................................... 22 2.3. MÔ HÌNH ÒNG HẢY TRONG ĐƢỜNG ỐNG VÀ PHÂN LO I.............. 24 2.3.1. òng chảy ngang và gần ngang. ..................................................................242 2.3.2. ấu trúc dòng chảy của hỗn hợp dầukhí trong ống nằm ngang .................26 2.3.3. òng chảy trong ống đứng...........................................................................30 2.3.4. òng chảy trong ống nghiêng......................................................................31 2.3.5. X y dựng mô hình dòng chảy. .....................................................................32 2.3.5. Mô hình dòng chảy phụ thuộc vào Gradient áp suất. ..................................35 2.4. SỰ HUYỂN ĐỔI HẾ ĐỘ DÒNG HẢY......................................................... 38 HƢƠNG III: ẢNH HƢỞNG ỦA HI N TƢỢNG VA ĐẬP THỦY LỰ LÊN TUỔI THỌ ỦA ĐƢỜNG ỐNG..................................................................................46 3.1. KHÁI NI M HI N TƢỢNG VA ĐẬP THỦY LỰ ........................................... 46 3.2. SỰ TÁ ĐỘNG ỦA HI N TƢỢNG VA ĐẬP THỦY LỰ LÊN ĐƢỜNG ỐNG ÔNG NGH VẬN HUYỂN ẦU THÔ Ở MỎ H HỔ VSP............ 50 3.2.1. Vật iệu đƣờng ống công nghệ vận chuyển dầu thô ở mỏ ạch hổ VSP...50 3.2.2. Ảnh hƣởng của hiện tƣợng va đập thủy ực ên tuổi thọ của đƣờng 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. Á GIẢI PHÁP H N HẾ HI N TƢỢNG VA ĐẬP THỦY LỰ LÊN TUỔI THỌ ĐƢỜNG ỐNG .............................................................................................. 56 3.3.1. Phƣơng pháp vận hành đƣờng ống (đóng mở van hợp ý). .........................56 3.3.2. Phƣơng pháp cơ học.....................................................................................57 3.3.3. ác iện pháp giảm xung.............................................................................57 3.3.4. Phƣơng pháp d ng tháp điều áp...................................................................63 KẾT LUẬN ...................................................................................................................70 ANH MỤ TÀI LI U THAM KHẢO ......................................................................71

Ụ Ụ

MỤ LỤ 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

HƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG ỐNG VẬN HUYỂN 7

1.1 H THỐNG THU GOM ẦU MỎ H 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 Ph n oại 10

1.2.2 Sơ đồ thu gom mỏ ạch Hổ 12

1.3 QUÁ TRÌNH THU GOM VẬN HUYỂN ẦU KHÍ Ở MỎ H HỔ 14

HƯƠNG II: Ơ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ÒNG HẢY TRONG ĐƯỜNG ỐNG VẬN HUYỂN ẦU THÔ 17

2.1 Á TÍNH HẤT Ơ ẢN ỦA ẦU MỎ 17

2.1.1 Thành phần dầu mỏ, ph n oại dầu mỏ 17

2.1.2 Mật độ dầu và khí 18

2.2 ÒNG HẢY HAI PHA TRONG ĐƯỜNG ỐNG 22

2.3 MÔ HÌNH ÒNG HẢY TRONG ĐƯỜNG ỐNG VÀ PHÂN LO I 24

2.3.1 òng chảy ngang và gần ngang 24

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

2.3.3 òng chảy trong ống đứng 30

2.3.4 òng chảy trong ống nghiêng 31

2.3.5 X y dựng mô hình dòng chảy 32

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

2.4 SỰ HUYỂN ĐỔI HẾ ĐỘ DÒNG HẢY 38

HƯƠNG III: ẢNH HƯỞNG ỦA HI N TƯỢNG VA ĐẬP THỦY LỰ LÊN TUỔI THỌ ỦA ĐƯỜNG ỐNG 46

3.1 KHÁI NI M HI N TƯỢNG VA ĐẬP THỦY LỰ 46

3.2 SỰ TÁ ĐỘNG ỦA HI N TƯỢNG VA ĐẬP THỦY LỰ LÊN ĐƯỜNG ỐNG ÔNG NGH VẬN HUYỂN ẦU THÔ Ở MỎ H HỔ - VSP 50

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

3.2.2 Ảnh hưởng của hiện tượng va đập thủy ực ên 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 Á GIẢI PHÁP H N HẾ HI N TƯỢNG VA ĐẬP THỦY LỰ LÊN TUỔI THỌ ĐƯỜNG ỐNG 56

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

3.3.2 Phương pháp cơ học 57

3.3.3 ác iện pháp giảm xung 57

3.3.4 Phương pháp d ng tháp điều áp 63

KẾT LUẬN 70

ANH MỤ TÀI LI U THAM KHẢO 71

Ụ ỂU

ảng 1.1 Thông số hệ thống công nghệ đường ống vận chuyển dầu thô ở mỏ ạch

Hổ 8

ảng 2.1 Trị số các hàm số 1, F2, F3 & F4 41

ảng 2.2 Giá trị các hằng số đối v i nh tương dầu của Arkhange st 43

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

ảng 3.1 Một số kết quả nghiên cứu ng đọng paraffin ằng phương pháp ngón tay ạnh 67

ảng 3.2 Mức độ hòa tan ng đọng paraffin của một số hóa ph m 68

Ụ V 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 ạch Hổ 13

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

Hình 2.2 Sơ đồ mối quan hệ gi a sự trượt và sự t c ngh n của dòng chảy 23

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

Hình 2.4 òng chảy của hỗn hợp dầu - khí 27

Hình 2.5 iểu đồ aker 28

Hình 2.6 Sơ đồ một nút ỏng 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 ộ phạm vi của các góc nghiêng 32

Hình 2.1 ản đồ mô hình dòng chảy cho ống ngang 33

Hình 2.11 ản đồ mô hình dòng chảy cho ống th ng đứng 34

Hình 2.12 ản đồ mô hình dòng chảy cho ống th ng đứng 34

Hình 2.13 ản đồ mô hình cho đường ống ngang 35

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

Hình 2.15 Mô hình dòng chảy gradient áp suất được x y dựng cho dòng chảy theo chiều th ng đứng 37

Hình 2.16 iểu đồ trạng thái gradient áp suất trong dòng chảy th ng đứng 37

Hình 2.17 Mối quan hệ gi a hệ số cản thủy ực và số Reynold 39

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

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

Hình 3.3 ao động của áp suất trong mô hình đường ống vận chuyển hỗn hợp dầu, khí và nư c ở các ưu ượng khác nhau 53

Hình 3.4 Sơ đồ tuyến ống vận chuyển dầu thô 54

Hình 3.5 Thiết ị kh xung của viện dầu Grozmri 61

Hình 3.6 Thiết bị kh xung của viện dầu tacta 62

Hình 3.7 Thiết ị kh xung của viện dầu khí Xi iri 62

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên ý àm việc của tháp điều áp 63

Ở ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

XNL K Việt-Nga Vietsovpetro (VSP) à một đơn vị khai thác dầu thô v i sản ượng 9 triệu tấn n m, đứng đầu trong các công ty khai thác dầu khí ở Việt Nam hiện nay; hàng n m đóng góp một phần không nhỏ cho ng n sách nhà nư c Hiện nay

ở mỏ ạch Hổ XNL K đang sở h u: 1 giàn cố định, 2 giàn NTT, 9 giàn nhẹ khai thác Ngoài ra còn có 3 tàu chứa dầu được ố trí để tiếp nhận dầu thô t các giàn, sau đó xuất án

Mỗi giàn cách nhau t 5-7km, gi a giàn và tàu chứa cách nhau khoảng 3-5km

ầu thô khai thác t các giếng ên s qua giàn NTT để x ý tách nư c, tách khí và các tạp chất Sau đó, được ơm vận chuyển t i hệ thống các tàu chứa thông qua hệ thống đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô

V i số ượng giàn khoan và tàu chứa dầu thô nhiều và trải rộng trên một diện tích thềm ục địa khá n, nên hệ thống đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô hết sức phức tạp và chủ yếu s dụng ống th p có đường kính t 219-426 mm

Hàng n m, XNL K Việt-Nga Vietsovpetro phải chi phí một khoản tiền n

để s a ch a thay thế đường ống công nghệ ị hư hỏng ó rất nhiều nguyên nh n g y

hư hỏng đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô như do mòn r , do hóa chất, do môi trường àm việc, ma sát, do tác động xói mòn và đ c iệt à do va đập thủy ực g y nên tác hại rất n cho hệ thống đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô Việc nghiên cứu tìm hiểu dòng chảy đường ống nói chung và cơ chế tác động của hiện tượng va đập thủy ực nói riêng để đưa ra giải pháp hạn chế và k o dài thời gian s dụng của hệ thống đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô à yêu cầu thực tiễn của

đề tài

2 ục đích nghiên cứu

Trên cơ sở ph n 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 ực ên độ ền của hệ thống đường ống và đề xuất giải pháp nhằm hạn chế sự tác động đó c ng như

k o dài thời gian s dụng của hệ thống đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Chất ưu vận chuyển trong đường ống công nghệ và hệ thống đường ống vận chuyển dầu thô ở mỏ ạch Hổ

4 ội dung nghiên cứu

Tập trung nghiên cứu các nội dung chính sau:

- Tổng quan về đường ống vận chuyển dầu thô

- Nghiên cứu, ph n tích dòng chảy của chất ỏng trong đường ống

- Nghiên cứu hiện tượng va đập thủy ực

- Ph n tích ảnh hưởng của hiện tượng va đập thủy ực ên độ ền của hệ thống đường ống và đề xuất giải pháp nhằm hạn chế sự tác động đó

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu ý thuyết: trên cơ sở ý thuyết về dòng chảy đa pha trong đường ống, thủy ực học, áp suất, nhiệt độ, ưu ượng mỗi pha, để x y dựng mô hình dòng chảy trong đường ống, t đó tìm ra cơ chế tác động của hiện tượng va đập thủy ực và

đề xuất một số giải pháp hạn chế

- Đánh giá các kết quả nghiên cứu thông qua các số iệu thống kê t thực tế

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đánh giá được mức độ nguy hiểm của hiện tượng va đập thủy ực tác động ên đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô àm cơ sở cho việc tính toán thiết kế và hiệu

ch nh hệ thống đường ống tại XNLDDK Việt-Nga Vietsovpetro Đề xuất giải pháp giảm thiểu, hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng va đập thủy ực ên đường ống công nghệ vận chuyển dầu thô, n ng cao tuổi thọ và hiệu quả kinh tế khi s dụng

ƯƠ

TỔ QU VỀ ĐƯỜ Ố VẬ UYỂ

1.1 T Ố T U ẦU Ỏ Ổ

1.1.1 ệ thống thu gom dầu trên các giàn cố định

Tại mỏ Bạch Hổ, các giàn cố định (MSP) được xây dựng theo thiết kế mẫu MSP 16716 do tổ hợp KORAL (Liên Xô c ) soạn thảo n m 1976, s dụng công nghệ thiết bị, vật tư và các phương tiện kỹ thuật do nghành công nghiệp Liên Xô c sản xuất vào nh ng n m 197 Trên mỗi MSP có một tổ hợp thiết bị khai thác, về chức n ng được dùng để thu gom, x lý vận chuyển sản ph m của 16 giếng khoan Công suất thiết kế của tổ hợp – 2400T/ngày, hệ số khí, dầu dư i 140 m3 T Sơ đồ công nghệ của

tổ hợp được tính cho việc x lý dầu không chứa nư c, tức là sản ph m của MSP s được x lý tại tàu chứa Dầu sau khi được tách khí ở bình tách cao áp (bình tách cấp 1

v i áp suất khoảng 14÷16 kG/cm2) và bình tách thấp áp (bình tách cấp 2 v i áp suất khoảng 1,5÷3 kG/cm2) v i hàm ượng nư c khoảng 15% được ơm về tàu chứa để x

lý tiếp theo Các giàn cố định được liên kết v i nhau bằng các đường ống ngầm cho

nh ng mục đích khác nhau: đường ống dầu khí, đường ống khí, đường ống gaslift, đường ống ơm p Khi giếng khoan ở giàn MSP-1 tìm ra được dầu ở tầng móng thì công suất thiết kế tổ hợp thiết bị khai thác của MSP-1 (24 T ngày) không còn đủ công suất để thu gom, s lý vận chuyển sản ph m Hệ thống x lý khí, hệ thống vòi đốt không còn đủ công suất do ưu ượng sản ph m của các giếng khai thác ở tầng móng t ng và hệ số khí, dầu t ng ên trên 2 m3 T Để đảm bảo khai thác hết ượng sản ph m của các giếng MSP-1 Viện NIPI đã tiến hành thiết kế để t ng công suất thiết

bị tổ hợp khai thác, hệ thống x lý khí, hệ thống vòi đốt Công suất MSP-1 được t ng lên 5000T/ngày

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

Hổ

Stt Tuyến ống

Đường kính, chiều dày D*

(mm)

Vật liệu

N m

l p

đ t

Chiều dài tuyến ống (m)

Lưu ượng (tấn/ngày)

Áp suất làm việc (MPa)

Áp suất

th (MPa)

1.1.2 ệ thống thu gom dầu trên các giàn mini SP

Tính đến nay phần l n trên các giàn MSP ở phía B c mỏ Bạch Hổ đã khai thác

t 26÷31 n m Để tiếp tục gi cho các giàn MSP ở trạng thái kỹ thuật ình thường và đáp ứng được yêu cầu sản xuất ở “Vietsovpetro” đã tiến hành các hoạt động s a ch a

l n M t khác, để giảm chi phí vận hành và đảm bảo thực hiện được một số chức n ng phù hợp v i tình hình hiện nay một số giàn MSP (MSP 3, 5, 6 và 7) đã được hoán cải

tổ hợp công nghệ thành giàn mini MSP

Sau khi hoán cải, các Block-Module 9, 1 , 11, 12, 13, 14 đã được c t bỏ hoàn toàn hệ thống bình tách thấp áp cấp II c ng các máy ơm vận chuyển dầu không được

d ng đến

Dầu khai thác t giếng được tách sơ ộ khí trong các bình tách khí bậc 1 trên giàn và sau đó được thu gom về giàn trung t m để tách khí bậc 2 Như vậy, sơ đồ thu gom dầu trên giàn mini MSP sau khi hoán cải đã chuyển t sơ đồ thu gom hở sang sơ

đồ thu gom kín Việc áp dụng công nghệ này cho phép tiết kiệm n ng ượng ơm và giảm thiểu thiết bị vận hành trên giàn MSP Ngoài ra còn t ng cường khả n ng ưu chuyển của hỗn hợp dầu trong đường ống nhờ một ượng khí hòa tan

1.1.3 ệ thống thu gom dầu trên các giàn nhẹ

Tại các giàn nhẹ hỗn hợp dầu khí được vận chuyển theo một đường ống đưa về giàn công nghệ trung tâm Tại giàn công nghệ trung tâm dầu được tách khí, tách nư c Khí được dẫn đến giàn nén khí, còn dầu theo đường ống ngầm đến tàu chứa Khi vận chuyển hỗn hợp dầu khí theo một đường ống t các giàn nhẹ về giàn công nghệ trung tâm luôn xảy ra hiện tượng xung động áp suất và xung động ưu ượng Để giảm xung, trên các giàn nhẹ ngoài các thiết bị đo còn p thêm các ình tách khí sơ ộ Bình tách khí sơ ộ dạng hình trụ nằm ngang, kích thư c nhỏ gọn và công suất được thiết kế tương ứng v i công suất l n nhất của giàn nhẹ à 6 T ngày đêm, áp suất là việc thiết

kế là 45kG/cm2, tuy nhiên áp suất là việc thực tế thay đổi t 16÷24 kG/cm2 tùy thuộc vào chế độ công nghệ Dầu sau khi được tách khí sơ ộ bằng áp lực tự nhiên theo đường ống riêng đến giàn công nghệ trung tâm x lý tiếp theo Kích thư c các đường ống thu gom t các giàn nhẹ về giàn công nghệ trung tâm là 219*12mm, 323.8*15.9mm, 426*16mm v i công suất vận chuyển được thiết kế tương ứng là

2 , 75 , và 15 T ngày đêm

1.2 SƠ ĐỒ T U

Việc ph n chia các sơ đồ thu gom thường c n cứ vào áp suất àm việc của thiết

ị đo tách tại các trạm khu vực, được ph n chia ra hệ thống kín, hệ thống hở; c n cứ vào đ c điểm địa hình: trên đất iền, ngoài iển, địa hình ph ng ho c dốc, c n cứ vào tính chất hóa ý của dầu như dầu n ng nhẹ, dầu nhiều paraffin, dầu nhiều ưu huỳnh… Khi thiết kế một hệ thống thu gom cần phải c n cứ vào yếu tố tự nhiên và khả n ng kỹ thuật, ao gồm: khả n ng m t ằng, địa hình của mỏ, khí hậu của v ng, n ng ượng v a (áp suất, nhiệt độ), tính chất hóa ý của chất ưu Về phương diện kỹ thuật phải c n cứ vào nguyên t c, sơ đồ hệ thống đã ựa chọn, các phương pháp tác động vào v a và giá trị áp suất miệng giếng khi khai thác

Ph n oại

a Sơ đồ thu gom hở

độ tách cao Sơ đồ này được s dụng phổ iến cho các thiết kế cách đ y 3 đến 4 thập

kỷ Sau khi tách, dầu và khí đi theo các tuyến ống riêng iệt cho nên thường gọi à sơ

đồ hai tuyến ống thu gom Khí sau khi tách v i áp suất dư 3÷5 kG/cm2

còn có thể tiếp tục chảy đến trạm x ý ầu muốn tự chảy được phải tạo cho tuyến ống một độ dốc nào đó nên thông thường thiết ị tách được ố trí cao hơn m t ằng tự nhiên, song phổ iến nhất à phải p trạm ơm đ y

Sơ đồ thu gom hở có ưu việt à việc đo ường cho các giếng chính xác vì áp suất thấp, giá trị dao động nhỏ, m t khác giá trị áp suất miệng giếng nên có thể k o dài khả

n ng tự phun, giảm được chi phí n ng ượng khi khai thác cơ học (gas ift, ơm) Ngoài ra,

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

Tuy vậy, trong thời gian gần đ y, ở các mỏ hiện đại, các sơ đồ này không còn được s dụng do các hạn chế n Trư c hết chi phí đầu tư cao, do phải đầu tư hai tuyến ống riêng iệt, do phải trang ị thêm các trạm ơm, việc vận hành phải s dụng nhiều nh n ực Khi d ng sơ đồ này, sự hao hụt dầu tương đối cao t 3÷5% do sự ay hơi 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;

1.2.2 Sơ đồ thu gom mỏ ạch ổ

nh Sơ đồ thu gom vận hu ển ầu khí mỏ ạ h ổ

Trong đó:

SO: Kho nổi chứa xuất dầu; MSP: Giàn cố định trên mỏ ạch Hổ;

K: Giàn nhẹ trên mỏ ạch Hổ; PP: Giàn công nghệ trung t m

MSP4

BK3

1.3 QUÁ TR T U VẬ UYỂ ẦU K Í Ở Ỏ Ổ

Mỏ ạch Hổ nằm ở ô 9 trong ể u Long do XNL “Vietsovpetro” điều hành, cách thành phố V ng Tàu 15 km về phía Đông Nam và được đưa vào khai thác t

n m 1986 Đ y à mỏ dầu n nhất tại Việt Nam v i tỷ phần khai thác chiếm hơn 3 4 tổng số dầu khai thác t tất cả các mỏ đang khai thác tại Việt Nam

Ở khu vực phía c của mỏ, dầu được khai thác t tầng móng, O igoxen dư i và Mioxen dư i Ở đ y, người ta x y dựng các giàn khoan cố định để khoan tối đa 16 giếng ằng kỹ thuật khoan định hư ng, giàn đồng thời à trạm thu gom khu vực có nhiệm vụ x ý chủ yếu à tách pha

Ngoài các thiết ị tách chuyên dụng như đo, gọi dòng, gas ift s dụng cho các giếng riêng iệt theo t ng thời điểm, còn ại quá trình tách tổng được thực hiện theo hai ậc, v i áp suất ậc I t 14÷16 kG/cm2 và ậc II v i áp suất 1,5÷3 kG/cm2

T đ y, dầu v i hàm ượng nư c khoảng 15% được ơm về tàu chứa (kho nổi chứa - xuất dầu) để x ý; còn khí được chuyển theo đường ống riêng về giàn n n khí trung t m Sơ đồ thu gom dầu trên các giàn cố định àm việc theo nguyên t c hở Ở khu vực trung t m người ta x y dựng các giàn nhẹ Sản ph m khai thác t giàn nhẹ ở dạng hỗn hợp dầu khí hay dầu ão hòa khí được vận chuyển về giàn công nghệ trung

t m số 2 ( PP-2), số 3 ( PP-3) để tách khí và tách nư c triệt để ác giàn nhẹ thường được xem à các cụm đầu giếng, việc thu gom được thực hiện theo nguyên t c kín, khí

ch được tách sơ ộ để đo và hỗn hợp s tự chảy về giàn công nghệ trung t m

hi tiết về quá trình thu gom sản ph m khai thác ở mỏ ạch Hổ được tiến hành như sau: Sản ph m khai thác trên giàn K-1, BK-2 và BK-3 được đưa về PP-2 để tách khí và tách nư c Sau đó dầu đã được tách khí và nư c được ơm đến kho nổi chứa xuất dầu số 1 (U N-1) “ a Vì”, một phần theo chu kỳ được chuyển đi U N-4

“Vietsovpetro- 1” Sản ph m t K- 4, 5, 6, 8 và 9 theo các đường ống ọc cách nhiệt được vận chuyển về PP-3

Sau khi được tách khí và nư c, dầu được ơm đi U N-4 và UBN-3 “ hí Linh” Vào cuối n m 2 3, mỏ ạch Hổ đã tiến hành th nghiệm công nghiệp vận chuyển sản ph m không d ng máy ơm t giàn cố định MSP-7 về MSP-5 và t MSP-6 về MSP-4, sau đó hỗn hợp dầu ão hòa khí được tách khí triệt để và ơm về U N

Việc thu gom sản ph m các giàn MSP phía c mỏ ạch Hổ được thực hiện như sau: Trư c khi đưa đường ống ọc cách nhiệt MSP-4→ MSP-9 vào àm việc, dầu t

các MSP phía c (3, 4, 5, 6, 7, 8) được ơm theo tuyến đường ống 7→MSP-5→MSP-3→ MSP-4→ MSP-8 qua MSP-1, BK-2 và giàn ống đứng R sang UBN-4 Sau khi đưa tuyến đường ống ọc cách nhiệt t giàn MSP-4→MSP-9 vào àm việc, việc thu gom dầu trong nội mỏ có sự thay đổi Hỗn hợp dầu ão hòa khí được vận chuyển t giàn MSP-6→ MSP-4, sau khi tách khí c ng v i sản ph m của giàn MSP-4 được ơm sang MSP-9 theo tuyến ống MSP-4→ MSP-9 ng đến MSP-

MSP-9 còn có sản ph m đã tách khí của MSP-3,5,7 và MSP-1 ,11 T MSP-MSP-9 dòng sản

ph m s đi theo tuyến ống MSP-9→ K-3→ CPP-2 sau đó được đưa đến U N-1 Sản

ph m của MSP-1 và BK-7 được tách khí trên giàn MSP-1 sau đó được ơm trực tiếp đến U N-1 Vào cuối tháng 4 n m 2 6, sau khi xảy ra sự cố vỡ đường ống dẫn dầu

t MSP-3→ MSP-4, việc thu gom dầu trong khu vực nội mỏ đã có sự thay đổi Hỗn hợp dầu ão hòa khí t MSP-6 được vận chuyển sang MSP-4 để tách khí c ng v i sản

ph m trên MSP-4, sau đó được ơm sang MSP-9 theo tuyến đường ống MSP-4→ MSP-9 Hỗn hợp dầu ão hòa khí t giàn MSP-7 được vận chuyển sang MSP-5 để tách khí Sản ph m của giàn MSP-5,7 sau khi tách khí c ng v i sản ph m của giàn MSP-3 được ơm qua MSP-9 theo tuyến đường ống MSP-5→ MSP-1 → MSP-9, sau

đó c ng v i sản ph m đã tách khí của MSP-9,10,11,4 và MSP-6 được vận chuyển đến CPP-2 Sản ph m của MSP-8 sau khi tách khí được ơm về MSP-1, c ng v i sản

ph m của MSP-1 chuyển sang PP-3 để x ý tiếp theo ơm sang UBN-4

Giàn CPP-2 và CPP-3 thu nhận sản ph m đến t các K và dầu đã tách khí đến

t các MSP để tách khí và nư c sơ ộ trong ình tách a pha, sau đó chất ỏng được đưa qua ình tách nư c s dụng điện trường cao để tách nư c triệt để ầu thương

ph m t PP-2 và CPP-3 được ơm đi U N-4, UBN-1, trong trường hợp cần thiết có thể ơm sang U N-3

Tại các tàu chứa, dầu tiếp tục được x ý để tách khí, tách nư c Trên tất cả các

U N công nghệ x ý dầu đến chất ượng thương ph m được thực hiện ằng phương pháp ng đọng trong ể công nghệ ở nhiệt độ 5 ÷ 6 oC Ngoài ra, trên UBN-3 còn

p đ t thêm thiết ị tách nư c s dụng điện trường cao ầu được x ý nư c t i hàm ượng ,5 %, nư c sau khi x ý s xả ra iển

Mỏ ạch Hổ hiện có 2 giàn n n khí: giàn n n nhỏ (MKS) ở cạnh MSP-4 và giàn n n n ( KP) ên cạnh PP-2 Khí cao áp t các giàn MSP phía c được đưa

về MKS, còn KP 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 ậc một đã được thu gom, còn khí ậc tách thứ hai (trong bình 100m3) hiện đốt ỏ trên fake của MSP Khí ậc tách 1 trên PP-2 và CPP-3 được thu gom th ng về KP mà không s dụng máy n n khí Trên KP và MKS, khí được x ý và n n ên áp suất khoảng 12 at, sau đó theo đường ống ngầm được vận chuyển về nhà máy chế iến khí trên ờ

Hiện nay, mỏ ạch Hổ s dụng chủ yếu à sơ đồ thu gom kín Vì nó có các ưu điểm sau:

- òng chảy trong ống gom gồm hai pha khí ỏng, tốc độ n và tốc độ s t ng dần theo chiều dài tuyến ống, giảm sự ng đọng của vật iệu cơ học Đ c iệt v i dầu có nhiều paraffin, hỗn hợp ỏng khí hạn chế sự kết tinh và c ng v i tốc độ n s góp phần

ng n ng a sự ng đọng, giảm nguy cơ t c ngh n đường ống

- Giảm kinh phí đầu tư và vận hành nhờ tiết kiệm được kim oại, giảm được số ượng nh n ực vận hành, giảm được công suất ơm đ y

- Sơ đồ cho ph p t ng khả n ng tự động hóa

ên cạnh nh ng ưu điểm thì sơ đồ thu gom kín c ng tồn tại nh ng nhược điểm nhất định như:

- Đo ường không chính xác do áp ực ình tách đo cao và khó oại tr các va đập

áp suất

- Đòi hỏi áp ực miệng giếng cao nên s giảm thời gian tự phun và khi chuyển qua khai thác cơ học s tiêu tốn nhiều n ng ượng hơn

- ó thể xảy ra rò r qua các đầu mối, van…

- ác dao động áp suất v i iên độ n có thể àm đứt đường ống, àm mất tác dụng các thiết ị đo - kiểm tra, chất ượng tách khí của thiết ị tách s xấu đi và có thể

àm gián đoạn sự àm việc ở các giếng tự phun Khi thiết ị tách àm việc k m dẫn t i hàm ượng khí ở các trạm chứa thương mại cao, có thể g y ra các sự cố nghiêm trọng như cháy, nổ, ngộ độc

T y theo t ng trường hợp cụ thể người ta s c n nh c s dụng sơ đồ thu gom kín hay hở

ƯƠ

Ơ SỞ Ý T UYẾT VỀ Ò Y

TR ĐƯỜ Ố VẬ UYỂ ẦU T Ô

2.1 CÁC TÍ ẤT Ơ Ủ ẦU Ỏ

2.1.1 Thành phần dầu mỏ, ph n oại dầu mỏ

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

ta chia nó làm 3 loại:

- Paraffin

- Naften

- Hydrocac on thơm Thực tế trong dầu còn rất nhiều nhựa và aspha ten Hàm ượng 3 oại hydrocac on kể trên thay đổi t y theo đ c điểm cấu tạo dầu mỏ và dựa vào đó người ta chia dầu mỏ ra àm nhiều dạng khác nhau: dầu paraffin, dầu naften, dầu paraffin-naften…

ựa vào cấu trúc mạch th ng cac on, paraffin được chia thành: paraffin mạch

th ng và paraffin mạch nhánh Ở điều kiện thường hydrocac on có cấu tạo mạch t 1

đến 4 (C4H10) ở trạng thái khí, t 5 (C5H12) đến 15 (C15H32) trạng thái ỏng và 16(C16H34) trở ên ở trạng thái tinh thể r n

Yếu tố ảnh hưởng t i các tính chất cơ học và độ nh t của dầu à paraffin r n Paraffin r n ở dạng tinh thể màu tr ng, không hòa tan trong nư c nhưng dễ hòa tan trong benzen Paraffin trong dầu có thể hiểu à một hỗn hợp hydrocac on đơn chất chủ yếu mạch th ng và một phần paraffin mạch nhánh Nhiệt độ nóng chảy của các paraffin r n nằm trong khoảng 22÷85o Đối v i hỗn hợp nhiệt độ này khó được xác định

Hydrocac on r n ở dạng tinh thể có khối ượng ph n t và nhiệt độ sôi tương đối n, gồm nh ng chất như: naften, hydrocac on nh n thơm, paraffin mạch nhánh được gọi chung à xerezin Nhiệt độ nóng chảy của xerezin trong khoảng 65÷9 o

C Paraffin r n và xerezin rất dễ hòa tan trong dầu và tạo thành dung dịch ph n t Nhiệt

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

Naften có công thức nH2n, CnH2n-2 … Ph n t naften à một vòng kín có thêm vài hydrocac on mạch th ng ( H3-) Phần n trong tất cả các oại dầu đều chứa naften có cấu trúc vòng 5 ho c vòng 6 So v i paraffin mật độ của naften n hơn, áp suất hơi ề m t nhỏ hơn và khả n ng hòa tan của naften trong dầu c ng n hơn

Hydrocac on thơm ( nH2n-6, CnH2n-12 …) có cấu trúc ph n t chủ yếu à nh n enzene Tỷ trọng và nhiệt độ sôi tương đối n (ngoại tr enzene sôi ở 8 o ), nếu so sánh v i Paraffin và naften, khả n ng hòa tan của hydrocac on thơm trong dầu n hơn rất nhiều

Đ c iệt trong dầu còn có nhựa smo và aspha ten

- Nhựa smol là chất phân cực và c ng à chất hoạt tính bề m t, có khối ượng phân t 5 ÷12 Độ đ c của dầu mỏ nhiều smol bị thay đổi rất nhiều khi có sự t ng trưởng về khối ượng phân t của nhựa smol Trong thành phần nhựa smol chủ yếu kết hợp nh ng chất như: hợp chất có oxy, ưu huỳnh và cả hợp chất có nitơ

- Nhựa asphalten là hợp chất cao phân t trong dầu mỏ, về m t cấu trúc giống như nhựa smol nhưng có khối ượng phân t l n hơn gấp 2÷3 lần Nhựa asphalten ở dạng r n màu đen Độ hòa tan của smo và aspha ten thay đổi tùy theo khối ượng phân t của chúng Smol dễ hòa tan trong x ng, dầu hỏa, ph n đoạn dầu nhờn Asphalten không hòa tan trong môi trường hydrocacbon nhẹ nhưng dễ dàng phân tán vào benzene và tạo thành dung dịch keo

n ng Dầu gốc paraffin có mật độ t 750÷800 kG/m3, gốc naften 820÷860 kG/m3 và gốc thơm 86 ÷9 kG/m3

Mật độ dầu trong quá trình khai thác, thu gom và x lý có thể thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ, hàm ượng khí-dầu và nư c v a nh tương hóa Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự biến đổi mật độ dầu, được biểu diễn bằng phương trình I mende ecv

 

20 t t 20

Trong đó:

ρt :mật độ dầu ở nhiệt độ nghiên cứu;

β: hệ số hiệu ch nh nhiệt độ, v i giá trị có thể tính theo công thức:

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

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

Mối quan hệ gi a thể tích dầu v i nhiệt độ nhƣ sau:

2.1 2

2 1

2.1 1

1 1

20 20 1

Để nhận mật độ khí ở đơn vị tuyệt đối, giá trị  t p, cần phải nhân v i mật độ

không khí khô ở điều kiện ình thường (1,293 kg/m3):

PV PV

T0- nhiệt độ tuyệt đối (273oK);

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

2.2 Ò Y P TR ĐƯỜ Ố

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

hiện tại à cả sụt áp so v i hoạt động tốc độ dòng chảy và các quá trình truyền nhiệt cho đường ống vận chuyển một pha có thể được xác định một cách đơn giản Đồng thời các dòng chảy của chất ỏng trong đường ống à phức tạp trong suốt quá trình vận chuyển húng ta x t một đường ống vận chuyển cả khí và ỏng, như sơ đồ trong hình 2.1 ác thông số điển hình của dòng chảy gồm có khối ượng ho c thể tích dòng chảy, tính chất vật ý của chúng, đường kính ống và góc nghiêng Nh ng d iệu này à

đủ cơ sở để tính toán dòng chảy một pha Tuy nhiên, đối v i các hệ thống dòng chảy hai pha, đòi hỏi ổ sung thêm nh ng thông tin Điều này được mô tả trong phần tiếp theo

nh 1: Sơ đồ ng h i ph lỏng – khí trong ống

* S trượt v s t ngh n

Hình 2.2 à sơ đồ mô tả mối iên hệ gi a sự trượt và t c ngh n của dòng chảy iên tục, theo đó pha khí và pha ỏng được tách ra, dư i dạng các dòng chảy ph n p Trên hình 2.2 phần A iểu thị cho các trường hợp có trạng thái không trơn trượt, trong

đó khí và pha ỏng di chuyển c ng một vận tốc, cụ thể à νG = νL

Theo quy uật tự nhiên, trong điều kiện không trơn trượt cả hai pha di chuyển c ng một vận tốc, sự t c ngh n của chất ỏng ằng v i tỷ ệ ưu ượng thể tích của chất ỏng v i tổng ưu ượng thể tích Trong điều kiện xảy không ra sự trượt, ví dụ trong dòng đồng nhất ho c chảy ph n tán ọt, v i tốc độ dòng dung dịch cao và dòng khí thấp Trong điều kiện dòng chảy dạng này, pha khí được ph n tán thành các ọt nhỏ trong chất ỏng o tốc độ chảy của chất ỏng cao, các ọt khí chuyển động c ng pha ỏng ở c ng một vận tốc, kết quả à không có sự trượt Như vậy, đối v i trạng thái dòng chảy này, tại vị trí t c ngh n ta có HL-λL (the no-slip liquid holdup, namely,

HL-λL)

nh : Sơ đồ mối qu n hệ giữ s trượt v s t ngh n ng hả

Thông thường, chất khí và chất ỏng có vận tốc chuyển động khác nhau, sự trượt diễn ra gi a hai pha Việc pha khí chuyển động v i một vận tốc cao hơn pha ỏng do ực ma sát thấp Trên khía cạnh về tính iên tục, nếu pha khí di chuyển nhanh hơn so pha ỏng (hình 2.2 phần ), tại vị trí diện tích m t c t ngang của ống ta thấy pha khí giảm trong khi đó pha ỏng t ng ên Điều này dẫn đến sự tích tụ của chất ỏng trong đường ống Lấy ví dụ cho trường hợp dòng chảy dạng ọt trong ống

th ng đứng, tốc độ của chất ỏng thấp Trong khi đó pha khí di chuyển nhanh hơn so

v i pha ỏng, ho c có thể trượt qua nó,v i vận tốc v0 (vận tốc ọt nổi ên) Điều này

2.3 Ô Ò Y TR ĐƯỜ Ố VÀ P Â

Sự khác iệt cơ ản gi a dòng một pha và dòng chảy hai pha khí- ỏng à sự tồn tại của chế độ dòng chảy trong dòng chảy hai pha ác mô hình dòng chảy gi i hạn đề cập đến cấu hình hình học của pha khí và pha ỏng trong ống Khi khí và dòng chất ỏng chảy đồng thời trong ống, hai pha có thể tự ph n ố trong ống tạo nên các cấu hình dòng chảy

ác mô hình dòng chảy hiện tại đối v i hệ thống dòng chảy hai pha phụ thuộc vào các yếu tố sau:

• ác thông số hoạt động, khí và tốc độ chảy của chất ỏng

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

• ác tính chất vật ý của hai pha khí và mật độ chất ỏng, độ nh t và sức c ng ề m t

Việc xác định mô hình dòng chảy à một vấn đề trọng tâm trong phân tích dòng chảy hai pha Thực tế tất cả các tham số thiết kế của dòng chảy rất ệ thuộc vào mô hình dòng chảy hiện tại ác tham số thiết kế à sự giảm áp ực, tình trạng tích chất ỏng, nhiệt độ và các hệ số chuyển khối ượng, ph n ố thời gian cư trú, và tốc độ phản ứng hóa học

2.3.1 òng chảy ngang và gần ngang

ác mô hình dòng chảy có thể được ph n oại à dòng chảy ph n p (phân p-

ph ng và ph n p-gợn sóng), dòng chảy iên tục

òng chảy gián đoạn (Intermittent ow), à đ c trưng của dòng chảy thay thế chất ỏng và khí ác chất ỏng thể nh t có thể ngậm ọt khí, thường tập trung hư ng

về phía trư c của nút và đầu của đường ống Mô hình dòng chảy gián đoạn được chia thành mô hình nút (Slug) và ọt khí giãn nở ( ongated-Bubble-EB) ác chế độ dòng chảy của nút và các mô hình ọt khí giãn nở có sự tương đồng Các mô hình ọt khí giãn nở được coi à trường hợp gi i hạn của dòng chảy nút Điều này xảy ra khi hàm ượng pha khí ở mức tương đối thấp

òng chảy hình khuyên (Annu ar ow): xảy ra khi hàm ượng khí rất cao Ở lõi thường có pha khí chuyển động v i vận tốc cao, tại đ y có thể ao gồm nh ng giọt

chất ỏng ị cuốn theo hất ỏng tạo thành một màng mỏng quanh thành ống Màng chất ỏng ở phía dư i thường dày hơn ở phía trên t y thuộc vào độ n tương đối của khí và tốc độ chảy chất ỏng V i tốc độ dòng khí thấp nhất, hầu hết các chất ỏng chảy

ở dư i c ng của đường ống, trong khi sóng không ổn định ngậm khí được cuốn quanh ngoại vi ống và thường xuyên dính ư t trên thành ống, dòng chảy này xảy ra trên ranh

gi i chuyển tiếp gi a ph n p-gợn sóng, dòng chảy hình khuyên ựa trên các định nghĩa và cơ chế của dòng chảy nút và dòng hình khuyên, chế độ này được gọi à gợn sóng-hình khuyên (Wavy-Annu ar) và được ph n oại như à một nhóm con của dòng chảy hình khuyên

òng chảy ph n tán- ọt khí (Dispersed- u e ow) Tại tốc độ chảy của chất ỏng rất cao, pha ỏng à pha iên tục, trong đó pha khí được ph n tán như ọt khí rời rạc Việc chuyển đổi sang mô hình dòng chảy này được xác định ằng các điều kiện nơi ọt khí đầu tiên ị đình trệ trong túi khí chất ỏng ho c khi nào mà chạm vào phần trên của đường ống và ị phá hủy Khi điều này xảy ra, hầu hết các ọt khí nằm gần thành ống trên So v i mức chất ỏng cao hơn, các ọt khí được ph n tán đều trong toàn ộ khu vực m t c t ngang của đường ống

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

ấu 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 ph n chia ra các dạng 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 ọt riêng iệt, được ph n tán trong môi trường dày

đ c của chất ỏng Hàm ượng khí t ng cao ở phần trên của đường ống (Hình 2.4a)

V i vận tốc chuyển động cao, chế độ đồng dạng ít được tạo thành

b Dòng chảy phân lớp (Hình 2.4c)

ác pha khí và ỏng ph n chia hoàn toàn và chuyển động theo p: chất ỏng chảy theo phần dư i ống, khí - phía trên ống Ranh gi i ph n chia gi a các pha - ph ng (Hình 2.4c)

c Dòng chảy sóng phân lớp (Hình 2.4d)

Pha ỏng và khí riêng iệt Trên ề m t của p chất ỏng, quan sát có sóng n

hế độ như thế xuất hiện t nh ng dòng chảy ph n p khi t ng vận tốc chuyển động

tỷ số gi a tỷ trọng các pha, so v i nư c ở điều kiện tiêu chu n

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

L - Lưu ương chất ỏng; ψ- Tham số không thứ nguyên phụ thuộc vào giá trị sức

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

7 òng chảy tán xạ (nh “dầu trong nư c”)

Nh ng tập ỏng-khí chuyển động iên tiếp nhau theo dòng chảy dạng nút trong ống dẫn Mỗi tập ỏng - khí (Hình 2.6) gồm:

- Nút chất ỏng phủ đều theo tiết diện ống dẫn

- Nút khí chiếm một phần tiết diện và ph n ố gi a nh ng nút ỏng kế cận

- L p chất ỏng ám sát thành ống và chuyển động dư i nút khí

hiều dài nút chất ỏng và đ c iệt à nút khí thường n hơn đường kính ống

nhiều ần

Trên cơ sở ph n tích ảnh chụp ống dẫn trong suốt có chứa chất ỏng c ng các hạt tương phản, người ta thu được sơ đồ cấu trúc dòng chảy dạng nút trong ống dẫn nằm ngang

Trên hình 2.6 mô tả một p ỏng - khí chuyển động dọc đường ống t trái qua phải v i vận tốc u, dễ dàng nhận thấy rằng chuyển động của các nút trong chất ỏng, trong p khí trên phần n chiều dài ống à c ng chiều Nhưng ở đoạn đầu và cuối của nút ỏng xuất hiện nh ng tuyến ng n (tuyến trư c và tuyến sau) của nút, ở đó có dòng chảy rất phức tạp Trạng thái của các tuyến đó xác định sự tồn tại của dòng chảy dạng nút c ng như đ c 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 c a tuyến s u v trước; 4 và 6- Các vòng xoáy c a tuyến s u v trước; 7 và 9- Tuyến trước và tuyến sau c a nút lỏng; 8- Nút lỏng; 10- Đường chuyển động c a các phần chất lỏng ngoài vòng xoáy; 11-

nh giới khí- lỏng; 12- Thành ống

òng chảy dạng nút có thể hình dung à kết quả tương tác qua ại của các nh n

tố, thành phần của p khí, ỏng Trong ống dẫn nằm ngang nút ỏng di chuyển dư i sự tác động của chênh ệch áp suất trong các nút khí kế cận, và ực ma sát trên thành ống

s cản ại sự chuyển động đó hất ỏng tách ra t các tuyến được chuyển qua tuyến trư c vào nút lỏng và chảy qua tuyến sau

Hình 2.7: Sơ đồ tu ến s u ở hế độ trọng trường (1-2: Mặt c t ng ng trước và sau vùng nghiên cứu)

Tại tuyến sau: hất ỏng không ph n ố đều theo tiết diện ống dẫn (như trong nút

nói trên) mà tạo thành X p

L p chất ỏng và nút khí: Nút ỏng chuyển động về phía trư c, để ại một p chất ỏng sau tuyến sau và trên p ỏng à nút khí

Tại tuyến trước: cấu trúc tuyến trư c tương tự như ư c nhảy thủy ực, phần

trư c nó gồm có v ng chất ỏng chảy t i (dòng trung chuyển) và v ng chảy ngược, ở tuyến trư c chất ỏng tạo nên dòng trung chuyển chảy t p ỏng vào nút ỏng (Hình 2.6), v ng chảy ngược gồm nh ng mạch xoáy theo trục ngang vuông góc v i trục ống dẫn Mỗi vòng xoáy chiếm cả chiều cao dòng chảy trên dòng trung chuyển Tất cả vòng xoáy quay theo một hư ng và xoáy vào p chất ỏng

2.3.3 òng chảy trong ống đứng

Trong điều kiện ống đứng chế độ ph n p s không còn và thay vào đó à một

mô hình dòng chảy m i đó à dòng chảy rối ( hurn) òng chảy dạng này thường đối xứng xung quanh trục ống và ít ị chi phối ởi ực hấp dẫn

òng chảy ọt khí ( u e ow): Trong dòng chảy ọt khí được ph n tán thành kích thư c nhỏ rời rạc, di chuyển ên trên theo đường zic trong một pha ỏng Dòng chảy ọt xảy ra khi pha ỏng tương đối thấp và đ c trưng ởi sự trượt gi a pha khí và pha ỏng, dẫn đến khả n ng tích tụ chất ỏng n

òng chảy nút (Slug Flow): ác chế độ dòng chảy nút trong ống th ng đứng đối xứng xung quanh trục ống ác nút khí có dạng hình viên đạn, đường kính gần ằng v i đường kính ống

Hình 2.8: Mô h nh ng hả trong đường ống đứng

hảy rối ( hurn): mô hình dòng chảy này được đ c trưng ởi sự dao động của pha ỏng trong quá trình chuyển động

òng chảy hình khuyên (Ann ar ow): Như trong trường hợp ngang, dòng chảy được đ c trưng ởi một õi khí chuyển động nhanh v i các giọt chất ỏng ị cuốn theo và một chuyển động màng chất ỏng chậm chảy quanh thành ống òng chảy hình khuyên trong ống có đứng độ dày màng chất ỏng xung quanh thành ống tương đối đều

Dòng chảy phân tán- ọt khí ( ispered- u e ow): Tương tự như trường hợp dòng chảy trong ống ngang, dòng chảy ph n tán- ọt khí trong đường ống đứng và nghiêng mạnh xảy ra khi ưu ượng chất ỏng tương đối cao, khí được ph n tán như ong óng rời rạc vào pha ỏng iên tục Đối v i mô hình dòng chảy này, chất ỏng có

ưu thế hơn mang các ong óng khí, và không có sự trượt xảy ra gi a các giai đoạn

o đó, dòng chảy được coi à đồng nhất không trơn trượt

2.3.4 òng chảy trong ống nghiêng

Hình 2.9 trình bày mô hình dòng chảy trong ống nghiêng Đối v i dòng chảy xuống chủ yếu à dòng chảy ph n p - gợn sóng Theo quan sát trong dòng chảy ngang, dọc, đi ên nghiêng và hư ng ên trên, sự ph n tán ọt khí và dòng chảy hình khuyên xảy ra ở ưu ượng khí cao và ỏng cao Tương ứng, đối v i dòng chảy xuống

mô hình dòng chảy ph n p hầu như không còn và các chế độ hình khuyên c ng tồn tại ở ưu ượng khí thấp

Hình 2.9: Mô h nh ng hả trong to n bộ phạm vi á gó nghiêng

Khi xác định một mô hình riêng iệt ta có thể dự đoán các đ c tính dòng chảy,

ch ng hạn như giảm áp ực, tích tụ chất ỏng và hệ số truyền nhiệt

2.3.5 X y dựng mô hình dòng chảy

ác cách tiếp cận trư c đó đối các mô hình dòng chảy à cách tiếp cận thực nghiệm Trong phương pháp này việc xác định mô hình dòng chảy được thực hiện chủ yếu ằng cách quan sát trực quan Thông thường, d iệu được iểu diễn trên iểu đồ hai chiều iểu thị ranh gi i chuyển tiếp gi a các mô hình dòng chảy khác nhau, ản đồ như thế được gọi à “ ản đồ mô hình dòng chảy trong ống nằm ngang” (Flow Pattern Map - Hình 2.10)

Nhiều hệ thống khác nhau đã được đề xuất để x y dựng ản đồ mô hình dòng chảy, ch ng hạn như tỷ ệ khối ượng dòng chảy, chất ổ sung ho c vận tốc ề ngoài được s dụng ởi Mandhane ản đồ Mandhane được x y dựng cho dòng chảy ngang

Hình 2.10: ản đồ mô h nh ng hả ho ống ng ng [2]

Nhiều nhà nghiên cứu đã cố g ng để phát triển công dụng của ản đồ mô hình dòng chảy của họ ằng cách chọn tọa độ không thứ nguyên ho c số hiệu ch nh cho tính chất vật ý của chất ỏng Một ví dụ về một ản đồ mô hình dòng chảy v i hệ số điều ch nh X và Y, cho đ c tính vật ý của chất ỏng à ản đồ Govier và Aziz (1972) thể hiện trong hình 2.11 Mô hình này được x y dựng cho dòng chảy th ng 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 t dòng chảy nút sang hình khuyên được chi phối bởi các nhóm không thứ nguyên VSG/VM và M/g.d

Trong các ản đồ mô hình dòng chảy, người ta thường đề cập đến công tác nghiên cứu thảo uận aker (1954), người tiên phong trong ĩnh vực này ản đồ mô hình dòng chảy của ông đưa ra s dụng tọa độ hỗn hợp không thứ nguyên, nơi GL và

GG à khối ượng dòng chảy của pha ỏng và pha khí (Hình 2.13)

Tương ứng, = [(ρg /0.075)( ρL/62.3)]1/2 và = 73/σ[(μL/1)(ρL/62.3)2]1/3 à hệ số điều

ch nh cho đ c tính của pha ỏng trong các trường đơn vị

Hình 2.11: ản đồ mô h nh ng hả ho ống thẳng đứng [2]

Hình 2.12: ản đồ mô h nh ng hả ho ống thẳng đứng [2]

Nh ng mô hình này được x y dựng dựa trên cơ sở vật ý, trong đó có việc xác định các quá trình chuyển đổi gi a các chế độ ưu ượng khác nhau Một khi các cơ chế chuyển tiếp được xác định, một mô hình toán học (cơ học) và iểu thức giải tích ranh gi i chuyển tiếp có thể được phát triển ác mô hình kết hợp ảnh hưởng của các iến đầu vào, ch ng hạn như ưu ượng khí và ỏng (thông số hoạt động), đường kính ống và góc nghiêng (thông số hình học), và các tính chất vật ý của chất ỏng o 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 à Taite và uk er (1976) và Taite et a (198 ) Như được trình ày ở ản đồ mô hình dòng chảy Taite

và uk er tổng quát cho dòng chảy ngang và gần ngang được chi phối ởi ốn tọa độ không thứ nguyên khác nhau Như vậy, mô hình s có độ tin cậy hơn cho một oạt các

điều kiện dòng chảy, cụ thể à tốc độ dòng chảy, đường kính ống, và các đ c tính chất ỏng

Hình 2.13: Bản đồ mô h nh ho đường ống ng ng [2]

2.3.5 ô hình dòng chảy phụ thuộc vào radient áp suất

Các thông số thiết kế ao gồm cả các gradient áp suất phụ thuộc rất nhiều vào các mô hình dòng chảy hiện tại Hình 2.14 và hình 2.15 trình ày tổng gradient áp suất cho các mô hình dòng chảy khác nhau trong ống nằm ngang và th ng đứng ác d iệu này theo áo cáo của Govier và Aziz [1] ở đường kính trong của ống , 254 m v i

nư c-không khí ở điều kiện tiêu chu n Trong đó hình 2.14 trình ày các dòng chảy

mô hình gradient áp suất cho dòng chảy ngang: Trục x à vận tốc không khí trên ề

m t; trục y à một tổng gradient áp suất không thứ nguyên và các tham số à vận tốc

nư c ề m t ó thể thấy, vận tốc ề m t khí và ỏng thấp, mô hình dòng chảy à ph n tầng ằng ph ng (Stratified-Smooth ow), cho ra một gradient áp suất rất thấp Vận tốc chất ỏng trên ề m t thấp khi vận tốc khí ề m t được t ng ên lúc này chuyển sang mô hình dòng chảy ph n p - gợn sóng (Stratified-Wavy Flow), lúc này gradient

áp ực t ng Khi vận tốc khí ề m t cao hơn, mô hình dòng chảy trở thành dòng chảy vành khuyên (Annu ar ow) có gradient áp suất rất cao M t khác, việc gi vận tốc khí trên ề m t không đổi và t ng vận tốc chất ỏng, mô hình dòng chảy s thay đổi t dòng chảy ph n tầng sang dòng chảy gián đoạn ( ongated- u e ho c s ug), và t ng gradient áp suất Tiếp tục t ng vận tốc chất ỏng trên ề m t (>5 ft s) chuyển thành dòng chảy ph n tán- ọt khí và gradient áp suất rất cao, so v i dòng chảy hình khuyên Như vậy, đối v i dòng chảy ngang khi t ng vận tốc khí ho c chất ỏng cho kết quả tổng gradient áp suất cao hơn

Đối v i ống đứng kết quả gradient áp suất cho dòng chảy được trình ày trong hình 2.15, ằng cách s dụng c ng một tọa độ như trong hình 2.14 Như có thể thấy,

so v i dòng chảy ngang, dòng chảy th ng đứng các đường cong gradient áp suất hiện ở mức tối thiểu

Hình 2.14: Mô h nh ng hả gr ient áp suất đượ xâ ng ng hả ng ng [2]

Điều này à do sự tích tụ chất ỏng v i ượng n xảy ra trong dòng chảy ọt

àm cho gradient áp suất trọng ực n Vận tốc chất ỏng trên ề m t thấp àm cho gradient áp suất thấp hơn Điều này à do thực tế v i sự gia t ng của tốc độ dòng khí, các ngưng trệ chất ỏng giảm, dẫn đến một gradient áp ực trọng ực thấp hơn Khi vận tốc khí ề m t rất cao, lúc này mô hình dòng chảy chuyển sang dòng chảy hình khuyên, theo đó gradient áp suất à rất cao Lưu ý trong trường hợp này do tích tụ chất ỏng thấp, gradient trọng ực à thấp, khi vận tốc chất ỏng trên ề m t cao, mô hình dòng chảy chuyển sang phân tán- ọt khí, tổng gradient áp suất rất cao Đ y à kết quả