Nghiên cứu, đánh giá hiện tượng ngưng tụ lỏng và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xảy ra trong lòng giếng khai thác mỏ Hải Thạch

Hiện tượng ngưng tụ lỏng trong giếng khai thác phụ thuộc vào tốc độ lưu thể trong ống khai thác cũng như chế độ dòng chảy đa pha trong ống vành khuyên, nút, bọt, quỹ đạo giếng góc nghiên

0

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ QUỐC GIA VIỆT NAM

VIỆN DẦU KHÍ VIỆT NAM -

TIỂU LUẬN 2

Luận án tiến sĩ kỹ thuật

"Nghiên cứu, đánh giá hiện tượng ngưng tụ lỏng và các yếu tố ảnh

hưởng đến quá trình xảy ra trong lòng giếng khai thác

mỏ Hải Thạch"

Chuyên ngành: Kỹ thuật dầu khí

Mã số: 62.52.06.04

Họ và tên NCS: Nguyễn Minh Quý

Người hướng dẫn 1: TS Phan Ngọc Trung

Người hướng dẫn 2: TS Nguyễn Hữu Trung

Hà Nội, năm 2017

1

MỤC LỤC

1 TỔNG QUAN NGƯNG TỤ LỎNG TRONG GIẾNG KHAI THÁC 2

1.1 Hiện tượng ngưng tụ lỏng trong giếng khai thác 2

1.2 Nội dung nghiên cứu 11

2 NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG NGƯNG TỤ LỎNG BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ 12

2.1 Hệ thống thực nghiệm 12

2.2 Kết quả thực nghiệm 16

2.2.1 Giếng thẳng đứng 16

2.2.2 Đánh giá ảnh hưởng góc nghiêng đến liquid loading 18

3 ĐÁNH GIÁ HIỆN TƯỢNG NGƯNG TỤ LỎNG TRONG GIẾNG BẰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG LÒNG GIẾNG 21

3.1 Xây dựng mô phỏng giếng HT-3P 21

3.2 Đánh giá hiện tượng liquid loading trên mô hình mô phỏng 27

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình liquid loading của giếng HT-3P 33

3.3.1 Ảnh hưởng của tỷ số lỏng-khí (CGR) 34

3.3.2 Ảnh hưởng của quỹ đạo giếng 35

3.3.3 Ảnh hưởng của đường kính ống khai thác 37

3.3.4 Ảnh hưởng của độ ngập nước 37

KẾT LUẬN 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

ra, chế độ chảy của dòng chảy sẽ bị thay đổi, quá trình ngưng tụ trong giếng sẽ diễn

ra nhanh hơn và đẩy mạnh quá trình tích tụ pha lỏng ở đáy giếng Quá trình tích tụ pha lỏng phát triển làm thay đổi chế độ dòng chảy, tạo nút pha lỏng ở đáy giếng ngăn cản dòng khí từ vỉa vào và có thể dẫn đến dừng hoạt động khai thác của giếng

Hiện tượng ngưng tụ lỏng trong giếng khai thác phụ thuộc vào tốc độ lưu thể trong ống khai thác cũng như chế độ dòng chảy đa pha trong ống (vành khuyên, nút, bọt), quỹ đạo giếng (góc nghiêng), kiểu thiết kế hoàn thiện giếng, vật liệu chế tạo ống khai thác Các dạng dòng chảy 2 pha trong giếng được minh họa trong hình 1 dưới đây:

3

Hình 1: Các dạng dòng chảy hai pha khí-lỏng trong giếng và đường ống

Hiện tượng ngưng tụ condensate vùng cận đáy giếng và trong hệ thống khai thác là nguyên nhân chính gây sụt giảm sản lượng khí và condensate, giảm hiệu quả kinh tế do khí mất thành phần nặng khi khai thác các mỏ khí-condensate Một số

mỏ lớn trên thế giới ví dụ như mỏ Arun ở Indonesia báo cáo mất tới 45% sản lượng

do hiện tượng ngưng tụ lỏng

Đã có nhiều nghiên cứu về hiện tượng liquid loading được công bố Tuy nhiên, các phương pháp dự báo hiện tượng liquid loading vẫn còn nhiều quan điểm khác nhau và chưa đánh giá đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng Các nghiên cứu đầu tiên về liquid loading tập trung vào các yếu tố vật lý của dòng chảy hai pha,

là mỗi liên hệ giữa vận tốc chuyển động của dòng khí với các yếu tố như chế độ chảy, kích thước hạt lỏng, tỷ lệ pha khí và pha lỏng, các lực tương tác lên hạt lỏng trong chuyển động Turner [1] đã đưa ra phương pháp dự báo tốc độ tới hạn của dòng khí dựa trên các tính toán cân bằng giữa lực nâng và trọng lực tác dụng lên các hạt lỏng có kích thước tối đa có thể Giá trị cực đại của chỉ số Weber cho phép xác định kích thước lớn nhất của hạt lỏng, theo mối quan hệ sau đây

𝑊𝑒 =𝜌𝑣2𝑑

𝜎 𝑊𝑒 =

𝜌𝑣2𝑑𝜎Trong đó: ρ-tỷ trọng pha lỏng (kg/m 3 );

v-vận tốc chuyển động (m/s);

Lưu lượng khí giảm

Dòng chảy sương Dòng chuyển tiếp Dòng chảy nút khí Dòng chảy bọt khí

và hạt lỏng bắt đầu rơi ngược xuống đáy giếng do tác dụng của trọng lực; thứ hai

là tính ổn định của lớp film lỏng bám dọc theo thành ống Turner xây dựng các

mô hình: (1) Chuyển động của lớp màng vành xuyến pha lỏng dọc theo thành ống và (2) chuyển động của các hạt pha lỏng cuốn theo dòng khí chuyển động ở không gian bên trong vành xuyến Khi so sánh hai mô hình này với dữ liệu thực

tế sản xuất, mô hình (2) cho phép dự báo liquid loading tốt hơn Theo lý thuyết, phương trình tính toán vận tốc tới hạn của dòng khí để có thể nâng các hạt lỏng chuyển động theo cùng như sau:

𝑣𝑐,𝑤 = 5,304(67 − 0,0031𝑃)1/4

√0,0031𝑃

Mô hình này được sử dụng khá phổ biến trong sản suất trong nhiều thập

kỷ nay vì các thông số có thể đo được dễ dàng tại đầu giếng Tuy nhiên, mô hình Turner giả thiết rằng hiện tượng liquid loading không phụ thuộc vào đường kính của ống khai thác

5

Bằng một loạt nghiên cứu của mình, Coleman [2] đã cải biến mô hình của Turner để tính toán cho các mỏ nông và có áp suất đầu giếng không quá 500 psia, kết quả cho thấy mô hình dự báo liquid loading chính xác hơn mà không cần hệ

số hiệu chỉnh lên tới 20%

Sau này, mô hình Turner tiếp tục được phát triển với nhiều quan điểm mới

Li và Sun [3] đã chỉ ra rằng trong mô hình của Turner và Coleman chưa tính đến

sự biến dạng của các giọt pha lỏng trong quá trình rơi xuống dưới tác dụng của dòng khí chuyển động lên Theo đó, các hạt chất lỏng sẽ không có dạng hình cầu

mà có dạng hình quả trám dẹt dưới tác dụng của áp lực khác nhau ở phần đầu và phần cuối của giọt lỏng Hạt chất lỏng hình cầu có diện tích hiệu dụng nhỏ hơn

so với hạt hình trám dẹt, do đó sẽ cần một vận tốc dòng khí lớn hơn để nâng hạt lỏng hình cầu đi lên, hay nói cách khác, các hạt có hình quả trám dẹt sẽ có diện tích hiệu dụng lớn hơn và cần một vận tốc dòng khí nhỏ hơn để có thể được nâng lên bề mặt Phương trình của mô hình Li tính toán vận tốc tới hạn và lưu lượng dòng khí như sau:

- Giai đoạn 1: Cả hai pha khí và lỏng cùng chuyển động lên bề mặt

6

- Giai đoạn 2: Vận tốc của dòng khí giảm thấp đến mức không đủ khả năng năng đẩy các hạt pha lỏng lên bề mặt Dòng chất lỏng chảy ngược trở lại đáy giếng và bắt đầu tích tụ tại đây

- Giai đoạn 3: Lớp chất lỏng tích tụ tại đáy giếng làm tăng áp suất thủy tĩnh tại đáy giếng, điều này làm giảm lưu lượng dòng khí từ vỉa đi vào giếng, quá trình này tiếp tục cho đến khi dòng khí đi vào giếng dừng hẳn

- Giai đoạn 4: Lượng chất lỏng tích tụ ở đáy giếng sau đó bị ép trở lại vỉa khi áp suất ở đáy giếng cao hơn áp suất vỉa vùng cận đáy giếng Trong quá trình ép ngược lại đó, áp suất của vùng cận đáy giếng được bổ sung (từ năng lượng của vỉa)

- Giai đoạn 5: Áp suất vùng cận đáy giếng được bổ sung cho đến khi

đủ để nâng cột chất lưu (hai pha khí-lỏng) trong giếng khai thác lên bề mặt, dòng chảy trong giếng sẽ hoạt động trở lại

Các quá trình được mô tả theo hình 2 dưới đây, và được lặp lại cho đến khi vỉa không thể bổ sung áp suất cho vùng cận đáy giếng đạt áp suất cần thiết

để tiếp tục nâng cột lưu chất trong giếng đi lên Lúc đó giếng sẽ bị dừng hoạt động hoàn toàn

Hình 2: Các giai đoạn dòng chảy trong giếng khai thác khí khi xảy ra liquid

loading

Guo [6] đã đưa ra một mô hình mới để dự báo hiện tượng liquid loading Theo Guo bên cạnh yếu tố vận tốc dòng khí, lượng pha lỏng trong hỗn hợp chất lưu (liquid gas ratio) cũng là một yếu tố đóng vai trò hết sức quan trọng đối với hiện tượng Tồn tại một giá trị ngưỡng của tỷ số lỏng-khí của hỗn hợp lưu chất,

và nếu tỷ số lỏng khí cao hơn giá trị ngưỡng này, hiện tượng liquid loading sẽ xảy ra ngay cả khi vận tốc của dòng khí cao hơn vận tốc tới hạn theo mô hình Turner Công thức tính toán vận tốc tới hạn của mô hình Guo như sau:

Được công bố năm 2012, M Daas [8]và các cộng sự đã giới thiệu một mô hình động học dòng chảy đa pha hiệu chỉnh Mô hình của Daas chứng minh rằng với điều kiện hệ lưu chất có hệ số LGR nhỏ hoặc trung bình, các mô hình Turner

và Guo thường cho dự báo vận tốc tới hạn thấp hơn thực tế, nhất là trong trường hợp áp suất đầu giếng cao Daas cũng cho rằng các mô hình trên chưa tính đến ảnh hưởng của sự gia tăng chỉ số liquid holdup trong dòng khí Hiện tượng liquid loading diễn ra đồng thời với quá trình chuyển đổi chế độ chảy của hỗn hợp lưu chất từ annular flow sang churn/slug flow Mô hình động học của Daas được xem là công cụ để dự đoán tốt hơn vận tốc tới hạn liquid loading bằng việc kết hợp sử dụng các mô hình trạng thái bền (của Guo) và có tính thêm ảnh hưởng của thông số liquid holdup từ mô phỏng tạm thời

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng của tubing đối với hiện tượng liquid loading được đặc biệt chú ý Tuy còn nhiều tranh luận khác nhau nhưng các kết quả nghiên cứu đều cho thấy quỹ đạo giếng hay nói cách khác góc lệch của tubing là yếu tố không thể bỏ qua trong việc dự báo liquid loading của giếng khai thác khí Flores- Avila [9] đã thực nghiệm dòng chảy hai pha khí-lỏng với hỗn hợp không khí và nước với hệ thống đường ống có các góc nghiêng khác nhau Kết quả cho thấy giá trị vận tốc tới hạn tăng khi góc nghiêng của đường ống tăng theo phương trình sau

𝑣𝑠𝑔 = 4,452 ⌊𝜎(𝜌𝐿 − 𝜌𝑔)

𝐶𝑑cos 𝜃𝜌𝑔2⌋

0,25

9

Trong đó: 𝑣𝑠𝑔 – vận tốc tới hạn

σ – sức căng bề mặt

𝐶𝑑 – hệ số kéo (drag coefficient)

𝜌𝐿, 𝜌𝑔- tỷ trọng của pha lỏng và pha khí

θ – góc nghiêng của ống (giếng)

Theo nghiên cứu của Grija về hiện trượng dịch chuyển cơ chế dòng chảy

đã phân tích về sự thay đổi chế độ của dòng chảy hai pha khí-lỏng dọc theo thân giếng Nghiên cứu cho thấy sự khác biệt của dòng chảy giữa phần trên và phần dưới của ống do tác dụng của trọng lực Ở phía dưới của đường ống màng pha lỏng dày và hướng của dòng chảy pha lỏng dao động theo hai hướng lên và xuống Ở phần trên của đường ống, màng pha lỏng mỏng hơn và hướng của dòng chảy thể hiện xu hướng đi xuống

Belfroid [10] nghiên cứu về chuyển động của lớp màng lỏng trong đường ống có góc xiên khác nhau Belfroid cho rằng lực ma sát bề mặt có thể được tính toán dự báo từ các thông số về chiều cao và sự phân bố không gian của sóng lăn (roll waves) Sự phân bố sóng lăn có vai trò quan trọng đối với cơ chế phân bố lại của lớp màng lỏng và độ dày trung bình

Donald [11] đã công bố kết quả nghiên cứu hiện tượng liquid loading của giếng khai thác khí khoan ngang của một mỏ tight gas Nghiên cứu được thực hiện trên một hệ thống mô phỏng dòng chảy đa pha tức thời, một hệ thống camera đặc biệt (sử dụng công nghệ video logging) được lắp đặt ở đáy một giếng khai thác khí trên đất liền của một mỏ tight gas Trong thời gian đo video logging, giếng dừng hoạt động, các thông số dòng chảy được đo tại đầu giếng, bao gồm:

áp suất, lưu lượng, nhiệt độ, sản lượng cộng dồn, sản lượng và lưu lượng bình quân theo ngày của nước và condensate Các số liệu đo được sẽ được khớp với

mô hình dòng chảy đa pha tức thời Theo Donald, hiện tượng liquid loading ở giếng khoan ngang thường xảy ra sớm hơn dự báo do lượng pha lỏng ngưng tụ

để chuyển động lên bề mặt Tuy nhiên kết quả nghiên cứu này chỉ dựa trên kết quả chạy mô hình mô phỏng và số liệu đo thực địa của 01 giếng khoan trong thời gian khá ngắn (04 ngày), do đó chưa thể khẳng định tính đại diện của kết quả nghiên cứu

G.Yuan [12] trong nghiên cứu, thực nghiệm về quá trình liquid loading và ảnh hưởng của góc xiên của giếng khai thác đối với quá trình đã thu được kết quả cho thấy góc nghiêng của ống khác nhau sẽ cho giá trị vận tốc tới hạn là khác nhau ở cùng gradient áp suất Nghiên cứu này đã tính toán tới ảnh hưởng của của các đại lượng: gradient áp suất và góc nghiêng của thân giếng trong phạm vi dưới 300

Theo một hướng nghiên cứu khác A Skopich [13] đã nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước đường ống (tubing khai thác) đối với hiện tượng liquid loading Trong nghiên cứu của mình, tác giả đã thực hiện các thí nghiệm với hỗn hợp không khí-nước trên hai hệ thống dòng chảy mô hình vật lý có đường kính

11

khác nhau (2 inch và 4 inch) Các thông số gradient áp suất và liquid holdup được

đo để xác định vận tốc tới hạn và sau đó so sánh giữa hai trường hợp ống có đường kính lớn hơn và nhỏ hơn Kết quả cho thấy vận tốc tới hạn của dòng khí trong ống 2 inch sẽ nhỏ hơn so với dòng khí trong ống 4 inch, điều này chứng minh rõ hơn hiệu quả của việc sử dụng các cần gia tốc (velocity string) để giảm hiện tượng loading trong giếng khai thác khí

1.2 Nội dung nghiên cứu

Tổng quan các nghiên cứu đã công bố có thể nhận thấy hiện tượng liquid loading là một quá trình phức tạp xảy ra trong lòng giếng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố Đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới trong đó phần lớn tập trung xây dựng các mô hình hiệu chỉnh trên cơ sở mô hình của Turner nhằm xác định vận tốc tới hạn để dự báo hiện tượng liquid loading trong giếng Tuy nhiên các tác giả cũng đã thừa nhận sai số dự báo lớn Các nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của độ nghiêng của giếng, kiểu hoàn thiện, kích thước ống khai thác tới vận tốc tới hạn còn rất hạn chế trong các công bố hiện nay và vẫn chưa được chứng minh thuyết phục trong sản xuất Các nghiên cứu trước đây cũng chỉ ra rằng với mỗi mỏ có đặc tính chất lưu, cấu hình hệ thống khai thác khác nhau hiện tượng ngưng tụ lỏng sẽ xảy ra khác nhau do vậy việc thực hiện các thực nghiệm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng để từ đó xây dựng mô hình mô phỏng có tính ứng dụng thực tiễn là cần thiết, đặc biệt cần tính đến vai trò của thành phần chất lưu của mỏ

Để thực hiện mục tiêu nghiên cứu đánh giá hiện tượng ngưng tụ lỏng trong giếng khai thác mỏ Hải Thạch đã đề ra, giếng HT-3P đã được nghiên cứu chi tiết hiện tượng ngưng tụ lỏng trong vỉa (condensate bankinh) trong chuyên

đề 1 được tiếp tục nghiên cứu đánh giá hiện tượng ngưng tụ lỏng trong giếng Các nội dung nghiên cứu sau đây đã được thực hiện:

a) Thực nghiệm trên mô hình vật lý đánh giá mối quan hệ giữa tính chất của hệ chất lưu, gradient áp suất và vận tốc dòng chảy trong giếng, quỹ đạo giếng

độ ngưng tụ:

 Kích thước, đường kính ống khai thác

 Quỹ đạo giếng khoan:

2 NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG NGƯNG TỤ LỎNG BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ

2.1 Hệ thống thực nghiệm

Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật lý dòng chảy (flow loop) là mô phỏng thực tế quá trình ngưng tụ lỏng và qua đó đánh giá các yếu tố ảnh hưởng như góc nghiêng và tốc độ dòng khí lên quá trình

Để thực hiện thực nghiệm, nghiên cứu sinh tham gia trực tiếp cùng nhóm nghiên cứu của Viện nghiên cứu công nghệ Hàn Quốc (KITECH) thiết kế hệ thống dòng chảy đa pha với module đường ống 1 inch, tổng chiều dài là 22 m với phần thiết kế cho phép điều chỉnh độ nghiêng là 7 m Thiết kế hệ thống cho phép thay đổi và đo đạc chính xác lưu lượng từng pha riêng rẽ, đo chính xác áp suất, nhiệt độ và tốc độ chảy từng phase tại các điểm dọc theo đường ống bằng

13

các cảm biến và camera ghi hình Sơ đồ hệ thống flowloop được mô tả theo Hình

3 dưới đây

Hình 3 Mô hình vật lý nghiên cứu dòng chảy đa pha

 Mức độ thay đổi áp suất trong ống khai thác (Pressure gradient): Áp suất được đo bằng 3 bộ biến áp (pressure transducer), bao gồm hai bộ đo áp suất tuyệt đối và một bộ đo áp suất chênh lệch

 Mức độ ngưng tụ (Liquid holdup): được đo bằng bộ giữ mẫu chất lưu lắp đặt ở gần van đóng nhanh loại van cầu

 Thuộc tính dòng chảy (Flow pattern): được xác định bằng phương pháp quan sát, tại các vị trí đặc trưng, dòng chảy sẽ được quan sát qua các ô cửa sổ được thiết kế bằng vật liệu trong suốt Tại các vị trí này sẽ trang bị các camera tốc độ cao giúp ghi lại hình ảnh và sau đó được phân tích bằng các phần mềm xử

lý video giúp phân tích dòng chảy sau đó Tốc độ ghi hình 1000 ảnh/giây

Trong phần thực nghiệm tại PTN KITECH, nhóm tác giả đã thực hiện mô phỏng các chế độ dòng chảy đa pha trong giếng đứng và nghiêng với mẫu khí-condensate được tái tạo mô phỏng theo tính chất của mẫu chất lưu từ giếng HT-

14

3P với pha khí thành phần tái tạo C1 chiếm 84%, CO2 5% và pha lỏng với hydrocarbon nặng C4+ 11% tương ứng thành phần của giếng HT-3P với thành phần như sau :

Bảng 1 Thành phần hydrocarbon giếng HT-3P

Cấu tử Thành phần

Thành phần Mole %

độ dòng chảy được quan sát bằng hình ảnh (ảnh chụp, video) với hệ thống video tốc độ cao (1000 ảnh/s)

Bằng việc phân tích các điểm đo thực nghiệm cũng như phân tích hình ảnh, vận tốc khí tới hạn đã được xác định cho từng cấp thực nghiệm riêng rẽ theo các giai đoạn sau:

Áp dụng mô hình Turner tính toán với thành phần khí-condensate, đặc biệt với tỷ lệ lỏng/khí (CGR) từ 120-130 bbl/mmscf của giếng HT-3P cho kết quả vận tốc khí tới hạn trong khoảng từ 12 – 17m/s

Mức độ liquid loading trong giếng phụ thuộc rất nhiều vào tỷ phần pha lỏng trong khí (liquid holdup), với dòng chảy trong giếng việc giảm áp và nhiệt

độ sẽ dẫn đến quá trình tách pha của các phân đoạn hydrocarbon nặng làm tăng giá trị liquid holdup Liquid holdup sẽ thay đổi dọc theo tubing từ đáy giếng lên miệng giếng Mỏ Hải Thạch có CGR thực tế dao động lớn với mức độ trung bình khoảng 120-130 bbl/MMscf cho giếng HT-3P nên nghiên cứu sinh đã tính toán, lựa chọn vận tốc dòng lỏng ở 5 mức độ khác nhau Vsl = 0.005; 0.01; 0.02; 0.05; 0.1 m/s kết hợp vận tốc khí giảm dần từ 25 tới 5 m/s (bao trùm khoảng dự kiến vận tốc tới hạn tính toán theo Turner model cho Hải Thạch là từ 12 – 17 m/s) để tạo mức độ liquid holdup phù hợp với tỷ số CGR mỏ Hải Thạch và đánh giá được ảnh hưởng của vận tốc khí đến quá trình liquid loading Mối quan hệ giá trị trung bình liquid holdup với vận tốc dòng khí được thể hiện trong Hình 4 dưới đây Giá trị liquid holdup có xu hướng giảm khi vsG tăng

16

Hình 4 Quan hệ liquid holdup với vận tốc dòng khí trong ống đứng

2.2 Kết quả thực nghiệm

2.2.1 Giếng thẳng đứng

Hiện tượng ngưng tụ ngược được nghiên cứu với 5 giá trị lưu lượng pha

lỏng khác nhau (vs L có giá trị lần lượt là 0.005, 0.01, 0.02, 0.05 và 0.1 m/s) Với mỗi giá trị lưu lượng pha lỏng, pha khí được điều chỉnh với vận tốc ban đầu là

25 m/s sau đó giảm dần vận tốc pha khí theo bước giảm là 2.5 m/s cho đến khi giảm đến vận tốc 5 m/s

Hình 6 thể hiện kết quả thực nghiệm cho thấy xu hướng thay đổi giá trị

gradient áp suất theo vận tốc dòng khí v SG với năm giá trị lưu lượng pha lỏng

17

Hình 5 Quan hệ Pressure gradient với vận tốc khí trong ống đứng

Với vận tốc phase lỏng v SL không đổi, vận tốc phase khí v SG giảm dẫn đến gradient áp suất giảm, động năng của dòng khí giảm dần, khả năng nâng lớp màng chất lỏng quanh thành ống giảm dần Đến một giá trị tối thiểu, tại điểm này, ứng suất trượt dao động quanh giá trị 0 và ứng suất trượt bề mặt cân bằng với trọng lực, lớp màng pha lỏng chảy dọc lên theo bề mặt đường ống như một

dòng chảy dạng annular liên tục Tiếp tục giảm vận tốc v SG , lớp chất lỏng bên ngoài phần tiếp xúc với dòng khí sẽ vẫn có xu hướng chảy lên trên theo dòng khí tuy nhiên lớp chất lỏng sát bề mặt thành ống sẽ chảy ngược xuống đáy do lực trọng trường Quá trình sẽ làm gradient áp suất tăng lên nhanh do hiện tượng chảy ngược như mô tả trong hình 6

18

Hình 6 Cơ chế ngưng tụ lỏng theo thành ống với dòng chảy ngược của lỏng

ngưng tụ Kết quả thực nghiệm với ống thẳng đứng cho thấy khi vs L có giá trị lần lượt là 0.005, 0.01, 0.02, và 0.05 m/s, giá trị pressure gradient đạt tối thiểu với

vs G = 12.5 m/s Trong khi đó tại vs L=0.1 m/s, pressure gradient đạt tối thiểu khi

vs G =15 m/s

Các hình ảnh trích xuất từ camera tốc độ cao cho thấy 3 quá trình xẩy ra

rõ rệt khi vận tốc khí VSG > vận tốc khí tới hạn VSGCrit dòng chất lỏng gồm các hạt lỏng droplet và lớp màng lỏng quanh thành ống liquid film đi lên miệng của ống thực nghiệm theo 1 chiều lên duy nhất Tại giá trị Vsg dao động xung quanh giá trị Vsgcrit, lớp màng lỏng liquid film dịch chuyển lên rất chậm so với tốc độ trước đó, thậm chí không chuyển động Tại giá trị VSG < VSGCrit hình ảnh cho thấy các liquid film đi ngược xuống dưới đáy của ống thực nghiệm

2.2.2 Đánh giá ảnh hưởng góc nghiêng đến liquid loading

Thực nghiệm với các góc nghiêng 15o và 30o, 45o được tiến hành với 5 vận tốc lỏng và vận tốc khí giảm dần tương tự như với ống thẳng đứng Kết quả thực nghiệm được tổng hợp trong hình 7 cho thấy vận tốc tới hạn tăng tỷ lệ thuận với góc nghiêng trong khoảng góc nghiêng từ 0 – 30o Tại góc nghiêng 15o, vận tốc khí tới hạn khoảng 15 – 17.5 m/s với các VsL<0.1 m/s còn với VsL = 0.1 m/s vận

Lưu lượng khí giảm

19

tốc khí tới hạn khoảng 20 m/s Khi góc nghiêng tăng tới 30o, VSG tại điểm gradient áp suất thấp nhất là khoảng 17.5 tới 20 m/s với VSL <0.1 m/s, với VSL bằng 0.1 m/s thì vận tốc khí tới hạn khoảng 20 m/s

Tuy nhiên khi góc nghiêng tăng tới 45o vận tốc khí tới hạn lại giảm xuống

Hình 7 Ảnh hưởng của góc nghiêng đến liquid loading

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm có thể kết luận trong khoảng

0-30o, vận tốc khí tới hạn tăng khi góc nghiêng của giếng tăng Nhưng khi tiếp tục tăng góc nghiêng của giếng, vận tốc tới hạn lại giảm xuống Do hạn chế của hệ thống thiết bị tại KITECH nên không khảo sát được không những góc nghiêng lớn hơn 45o Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm cũng khá phù hợp với kết quả thực nghiệm của Westende (2008) [14] như trong hình 8

20

Hình 8 Các nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng đến liquid loading

Từ kết quả thực nghiệm có thể rút ra một số nhận định như sau:

 Cơ chế gây ra hiện tượng ngưng tụ lỏng tại đáy giếng là sự hình thành và chuyển động của lớp màng lỏng quanh thành giếng Khi động năng của dòng khí

đủ lớn (Vsg > vận tốc tới hạn), màng lỏng sẽ chuyển động theo dạng vành xuyến (annular flow) lên miệng giếng Khi vận tốc khí nhỏ hơn vận tốc tới hạn, do lực nâng nhỏ hơn trọng lực và ma sát giữa chất lỏng và thành ống, phần bên trong lớp màng mỏng sát thành ống sẽ chuyển động đi xuống, phần bên ngoài lớp màng lỏng tách ra dưới dạng các giọt lỏng và rơi xuống Sự tích tụ phase lỏng tại đáy giếng sẽ làm cản trở dòng khí đi vào giếng, giảm chênh áp dẫn đến giảm vận tốc dòng khí lên miệng giếng càng làm hiện tượng ngưng tụ ngược tại đáy giếng thêm trầm trọng

 Khi góc nghiêng của giếng tăng trong phạm vi 0o -30o, giá trị vận tốc tới hạn tăng khi góc nghiêng tăng Giá trị vận tốc tới hạn lớn nhất với góc nghiêng thân giếng khoảng 30o sau đó giảm dần Điều đó có ý nghĩa quan trọng khi thiết

kế giếng với quỹ đạo tối ưu nên có góc nghiêng nhỏ và trong các trường hợp phải khoan nghiêng nên tránh góc nghiêng 25-35o là góc nghiêng có vận tốc tới hạn lớn nhất đồng nghĩa với hiện tượng ngưng tụ ngược tại đáy giếng xảy ra sớm nhất so với các góc nghiêng thân giếng khác