Tính toán đảm bảo dòng chảy trong quá trình vận chuyển sản phẩm khai thác từ giàn x2 whp về x1 cpp

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống đường ống vận chuyển sản phẩm khai thác từ giàn X2-WHP đến X1-CPP trên cơ sở lý thuyết về đảm bảo dòng chảy và phần mềm kỹ thu

Chữ ký:

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Chữ ký: Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Chữ ký: Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 16/09/1985 Nơi sinh: Ninh Thuận

Chuyên ngành: Kỹ thuật Khoan Khai Thác và Công nghệ Dầu Khí

TÊN ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN ĐẢM BẢO DÒNG CHẢY TRONG QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN SẢN PHẨM KHAI THÁC TỪ X2-WHP ĐỄN X1-CPP

I NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống đường ống vận chuyển sản phẩm khai thác từ giàn X2-WHP đến X1-CPP trên cơ sở lý thuyết về đảm bảo dòng chảy và phần mềm kỹ thuât OLGA dựa trên số liệu thực tế từ khu vực mỏ X

- Dựa trên mô hình phân tích lựa chọn kích thước đường ống phù hợp, lớp bọc cách nhiệt cho đường ống và phân tích các vấn đề liên quan đến đảm bảo dòng chảy như sự hình thành nút chất lỏng, phân tích thời gian dừng khai thác và tính toán áp suất khởi động sau thời gian dừng khai thác Từ đó đề xuất phương án vận chuyển hợp lý đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/01/2014

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Mai Cao Lân – Chủ nhiệm Bộ Môn Khoan Khai Thác, Khoa

Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM

Tp HCM, ngày tháng năm 2014

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT & DẦU KHÍ

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh dưới

sự hướng dẫn khoa học của TS Mai Cao Lân – Chủ nhiệm Bộ môn Khoan Khai thác, khoa Kỹ thuật Địa Chất & Dầu Khí, Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh

Xin chân thành cảm ơn TS Mai Cao Lân đã dành thời gian, công sức hướng dẫn tận tình, chu đáo tôi trong suốt quá trình làm Luận văn tốt nghiệp cũng như khoảng thời gian tôi học chương trình đại học và cao học tại trường Đại học Bách Khoa

Trong quá trình làm luận văn, tôi đã nhận được sự đóng góp ý kiến, giúp đỡ nhiệt tình của các giảng viên, cán bộ Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí, Phòng Đào tạo sau đại học trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với sự giúp đỡ quý báo đó

Luận văn này sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự động viên, khích lệ của gia đình, các bạn bè, đồng nghiệp cũng như các học viên cao học khoá 2010 chuyên ngành Kỹ thuật Khoan khai thác và Công nghệ Dầu Khí Tôi chân thành cảm ơn các anh chị đồng nghiệp tại Tổng công ty Thăm Dò Khai Thác Dầu Khí – PVEP đã hỗ trợ tài liệu tham khảo và góp ý nhiệt tình trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, song chắc chắn luận văn vẫn còn thiếu sót, tôi mong nhận được sự góp ý để bản luận văn được hoàn chỉnh và có hiệu quả thực tiễn tốt hơn

Xin cảm ơn!

TP.HCM, ngày 11 tháng 07 năm 2014

Thập Minh Thư

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay, việc kết nối hệ thống các đường ống vận chuyển dầu khí nội mỏ hoặc mỏ cận biên

là một trong những phương án phát triển được đánh giá cao về hiệu quả kinh tế đạt được Tuy nhiên, nhiều rủi ro luôn tồn ẩn trong quá trình vận chuyển sản phẩm khai thác bằng đường ống ngầm đặt dưới biển Đặc biệt đối với những đường ống ngầm dài hàng chục kilomet Do đó, trong luận này, giải pháp đảm bảo ổn định dòng chảy trong quá trình vận chuyển sản phẩm khai thác trong đường ống ngầm dưới biển được thực hiện nhằm đảm bảo an toàn, hiệu quả vận hành

và giảm thiểu chi phí

Mục tiêu nghiên cứu luận văn là đề xuất phương án vận chuyển sản phẩm khai thác từ giàn X2-WHP về giàn công nghệ trung tâm X1-CPP Để đạt được các mục tiêu này các nội dung sau được nghiên cứu:

- Cơ sở lý thuyết về đảm bảo dòng chảy sẽ được trình bày một cách tổng quan nhằm xác định mục đích, đối tượng và các phương pháp sử dụng cho việc tính toán đảm bảo dòng chảy

- Thu nhập và phân tích các số liệu tại khu vực mỏ X như các tính chất thành phần chất lưu, dữ liệu về đường ống, các dữ về khí hậu thủy văn nhằm xây dựng mô hình và sử dụng mô hình mô phỏng bài toán

- Nghiên cứu các vấn đề thường xảy ra trong quá trình vận chuyển dầu khí như lắng đọng paraffin, sự mài mòn đường ống, sự hình thành nút lỏng…

- Trên cơ sở lý thuyết và các dữ liệu đầu vào tiến hành xây dựng mô hình mô phỏng bằng phần mềm OLGA

Dựa trên các phương pháp phân tích mô hình, kết quả đạt được sau quá trình mô phỏng như sau:

- Trên kết quả phân tích thủy lực xác định được kích thước đường ống là 10” inch để vận chuyển sản phẩm khai thác từ giàn X2-WHP về X1-CPP

- Trên kết quả phân tích nhiệt xác định được lớp bọc cách nhiệt U=0,25 Btu/ft2.hr.0F với đường ống 10 inch để đảm bảo lưu chất lớn hơn nhiệt độ hình thành paraffin trong quá trình vận hành bình thường từ giàn X2-WHP đến X1-CPP

- Phân tích thủy lực nhiệt- tức thời xác định được thời gian nhiệt độ của dầu bắt đầu giảm xuống điểm chảy (34 giờ sau khi dừng khai thác) và tính toán được áp suất phá gel vào khoảng 5595 Kpa Cũng dựa trên phân tích này cũng xác định sự hình thành nút lỏng khi

sản phẩm khai thác đến CPP và xác định các thông số cho Slug Catcher để bắt các cục chất lỏng này

Trên cơ sở phân tích và đánh giá kết quả, đề xuất phương án vận chuyển hợp lý nhằm giảm thiểu rủi ro và tiết kiệm chi phí xử lý

MỤC LỤC

1.1 Giới thiệu tổng quan về mỏ X: 14

1.2 Phương án phát triển cho khu vực Tây Nam của mỏ X 16

1.2.1 Phương án phát triển 16

1.2.2 Hệ thống thiết bị chính trên giàn X2-WHP: 17

1.3 Cở sở dữ liệu ban đầu phục vụ mô phỏng 18

1.3.1 Thành phần cấu tử của sản phẩm khai thác và khí nâng: 18

1.3.2 Sản lượng khai thác của mỏ X ở khu vực Tây Nam 19

1.3.3 Dữ liệu về đường ống khai thác 19

1.3.4 Dữ liệu về điều kiện khí hậu thủy văn 21

1.3.5 Các điều kiện ràng buộc 22

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN ĐƯỜNG ỐNG VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ ĐA PHA 2.1 Các khái niệm cơ bản về dòng chảy đa pha 23

2.1.1 Các chế độ dòng chảy của dòng 23

2.1.2 Biểu đồ chế độ dòng chảy của dòng 27

2.1.3 Một số đại lượng liên quan đến dòng đa pha 28

2.1.4 Trở lực của đường ống đa pha 31

2.2 Quá trình truyền nhiệt và các vấn đề liên quan 32

2.2.1 Sự truyền nhiệt từ lưu thể trong đường ống ra môi trường bên ngoài 32

2.2.2 Các vấn đề liên quan ở nhiệt độ thấp 38

2.3 Thiết kế đường ống dẫn dầu 38

2.3.1 Tiêu chuẩn thiết kế 38

2.3.2 Tổn thất áp suất 38

2.3.3 Giới hạn vận tốc 39

CHƯƠNG 3 MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ

BẰNG ĐƯỜNG ỐNG ĐA PHA

3.1 Sự hình thành Wax và Asphaltene 42

3.1.1 Định nghĩa 42

3.1.2 Sự hình thành Wax 42

3.1.3 Sự tích tụ Wax 43

3.1.4 Các biện pháp xử lý Wax 44

3.2 Sự ăn mòn đường ống 44

3.2.1 Ăn mòn bên trong đường ống 44

3.2.2 Ăn mòn bên ngoài đường ống 46

3.3 Sự hình thành nút lỏng (Slug) 48

3.3.1 Định nghĩa 48

3.3.2 Các vấn đề do nút lỏng gây ra 49

3.3.3 Các dạng nút lỏng 49

3.3.4 Slug Catcher 53

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN BẢO ĐẢM DÒNG CHẢY TỪ GIÀN X2-WHP VỀ X1-CPP Ở MỎ X 4.1 Phân tích thủy lực 57

4.1.1 Kết quả mô phỏng : 58

4.1.2 Phân tích kết quả 63

4.2 Phân tích nhiệt 65

4.2.1 Kết quả mô phỏng 65

4.2.2 Phân tích kết quả 67

4.2.3 Tính toán lớp cách nhiệt cho đường ống 67

4.3 Phân tích thủy lực- nhiệt tức thời 69

4.3.1 Phân tích thời gian dừng khai thác 69

4.3.2 Tính toán áp xuất khởi động (phá Gel) sau khi dừng khai thác 72

4.3.3 Phân tích sự hình thành nút lỏng (Slugging) 75

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Phương án phát triển khu vực Tây Nam 16

Hình 1-2 Giản đồ pha của dầu ở khu vực Tây Nam 18

Hình 1-3 Biểu đồ dự báo sản lượng khai thác ở khu vực Tây Nam 19

Hình 1-4 Địa hình tuyến ống vận chuyển sản phẩm từ giàn X2-WHP đến X1-CPP [24] 20

Hình 2-1 Chế độ dòng chảy trong đường ống nằm ngang 24

Hình 2-2 Chế độ dòng chảy trong đường ống nằm ngang 24

Hình 2-3 Biểu đồ chế độ dòng chảy trong ống ngang 27

Hình 2-4 Biểu đồ chế độ dòng chảy trong ống đứng 28

Hình 2-5: Mặt cắt ngang của một đường ống dẫn 33

Hình 2-6 Dẫn nhiệt qua thành ống 33

Hình 2-7 Giản đồ Moody [13] 36

Hình 3-1 Biểu đồ quan hệ nhiệt độ - áp suất của sự hình thành wax 43

Hình 3-2 Ảnh hưởng của áp suất hệ và nồng độ CO2 đến tốc độ ăn mòn 45

Hình 3-3 Ảnh hưởng của nhiệt độ và pH đến tốc độ ăn mòn 45

Hình 3-4 Ăn mòn điện hóa đường ống [20] 47

Hình 3-5 Bảo vệ cathode bằng Mg [20] 47

Hình 3-6 Bảo vệ cathode bằng dòng áp đặt [20] 48

Hình 3-7 Dòng chảy nút lỏng trong ống ngang và đứng 48

Hình 3-8 Nút lỏng hình thành do thủy động 49

Hình 3-9 Nút lỏng hình thành do địa hình 50

Hình 3-10 Các giai đoạn hình thành nút lỏng trong hệ pipeline – riser 51

Hình 3-11 Vị trí của Slug Catcher trong hệ thống khai thác 54

Hình 3-12 Slug Catcher kết hợp với bình tách 54

Hình 3-13 Hai loại Slug Catcher thông dụng: Finger (trái) và Vessel (loại đứng) 55

Hình 4-1 Cấu hình áp suất trong trường hợp 1 58

Hình 4-2 Cấu hình áp suất trong trường hợp 2 59

Hình 4-3 Cấu hình nhiệt độ trong trường hợp 1 60

Hình 4-4 Cấu hình nhiệt độ trong trường hợp 2 60

Hình 4-5 Lưu lượng chất lỏng đến CPP trong trường hợp 1 61

Hình 4-6 Lưu lượng chất lỏng đến CPP trong trường hợp 2 61

Hình 4-7 Tỷ số vận tốc ăn mòn trong trường hợp 1 62

Hình 4-8 Tỷ số vận tốc ăn mòn trong trường hợp 2 63

Hình 4-9 Áp suất tại X1-WHP với các giá trị U=0,25; 0,5; 0,75 Btu/ft2.hr.oF 66

Hình 4-10 Nhiệt độ đến X1-CPP với các giá trị U=0,25; 0,5; 0,75 Btu/ft2.hr.oF 66

Hình 4-11 Mặt cắt ngang một ống dẫn điển hình với các lớp cách nhiệt 68

Hình 4-12 Cấu hình nhiệt độ với quá trình dừng khai thác 150 giờ trong trường hợp 1 71

Hình 4-13 Cấu hình nhiệt độ với quá trình dừng khai thác 150 giờ trong trường hợp 2 71

Hình 4-14 Liquid Holdup với quá trình dừng khai thác 150 giờ trong trường hợp 1 73

Hình 4-15 Liquid Holdup với quá trình dừng khai thác 150 giờ trong trường hợp 2 74

Hình 4-16 Lưu lượng chất lỏng đến CPP trong trường hơp 1 77 Hình 4-17 Lưu lượng chất lỏng đến CPP trong trường hơp 2 77 Hình 4-18 Thể tích tràn ở Slug Catcher tại X1-CPP 78

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1-1 Công suất xử lý của giàn công nghệ trung tâm X1-CPP [24] 14

Bảng 1-2 Thông số thiết kế X2-WHP [5] 17

Bảng 1-3 Thông số về đường ống cần khảo sát 20

Bảng 1-4 Tính chất của vật liệu [11] 21

Bảng 1-5 Dữ liệu về môi trường tại khu vưc mỏ X [24] 21

Bảng 1-6 Các điều kiện ràng buộc [24] 22

Bảng 2-1 Ảnh hưởng của các thông số vận hành chính đến Liquid Holdup 30

Bảng 2-2 Giá trị C và m theo Re 37

Bảng 2-3 Ảnh hưởng của các thông số đến chế độ dòng chảy 40

Bảng 2-4 Các mô hình thực nghiệm có thể thay thế Olga 41

Bảng 3-1 So sánh hai loại Slug Catcher 55

Bảng 4-1 Các trường hợp khai thác cần phân tích thủy lực 57

Bảng 4-2 Áp suất ngược tại X2-WHP và nhiệt độ tại X1-CPP 63

Bảng 4-3 Hàm lượng chất lỏng trong đường ống và lưu lượng chất lỏng đến CPP 63

Bảng 4-4 Trường hợp khai thác lựa chọn để phân tích nhiệt 65

Bảng 4-5 Kết quả phân tích nhiệt cho đường ống 10 inch 67

Bảng 4-6 Kết quả tính toán lớp cách nhiệt cho đường ống 69

Bảng 4-7 Các trường hợp khai thác để phân tích thời gian dừng khai thác 70

Bảng 4-8 Lưu lượng các mỏ khác đến CPP và POR hữu dụng [5] 75

Bảng 4-9 Các trường hợp khai thác để phân tích sự hình thành nút lỏng 76

DANH SÁCH CÁC PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Thành phần cấu tử của chất lưu ở mỏ khu vực Tây Nam mỏ X 83

Phụ lục 2: Thành phần khí Gas Lift 84

Phụ lục 3: Dự báo sản lượng khai thác ở khu vực Tây Nam mỏ X 85

Phụ lục 4: Áp suất ngược tại X2-WHP với đường ống 8, 10, 12 inch 89

Phụ lục 5: Nhiệt độ đến CPP với đường ống 8, 10, 12 inch 91

Phụ lục 6: Tỷ số ăn mòn vận tốc với đường 8, 10, 12 inch 93

Phụ lục 7: Nhiệt độ đến X1-CPP với các giá trị U=0,25; 0,5; 0,75 Btu/ft2.hr.oF 95

Phụ lục 8: Tính toán lớp bọc cách nhiệt cho đường ống 10 inch với U=0.25 Btu/ft2.hr.oF 97

Phụ lục 9: Tổng hàm lượng chất lỏng trong đường ống 98

Phụ lục 10: Vận tốc chất lỏng trong đường ống từ X2-WHP đến X1-CPP 99

DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT Cooldown Time: thời gian nhiệt độ của dầu giảm xuống dưới điểm chảy (Pour Point) sau quá

trình dừng khai thác

Erosional Velocity: vận tốc mài mòn, vận tốc tối đa cho phép khi thiết kế ống để tránh hiện

tượng mài mòn do các chất rắn trong dầu di chuyển với vận tốc cao

Gel Strength, Pa: đại lượng đặc trưng cho độ bền của gel

Gel: Wax hình thành khi nhiệt độ dầu xuống dưới nhiệt độ hình thành wax (WAT) làm độ nhớt

của dầu tăng cao và gây khó khăn khi khởi động lại hệ thống sau quá trình dừng khai thác

GOR, scf/bbl: Tỷ số thể tích khí/dầu, quy về điều kiện chuẩn (14.7 psia, 60 oF)

Liquid Holdup: Phần trăm diện tích của lưu chất trên diện tích đường ống tại một mặt cắt cho

trước

Pigging: quá trình phóng con thoi để loại bỏ wax/hydrate/chất tích tụ hoặc kiểm tra tình trạng

đường ống

POR (Pump-Out Rate): Tốc độ giải phóng chất lỏng của Slug Catcher

Pour Point: Điểm chảy, nhiệt độ thấp nhất mà dầu vẫn còn tính lưu biến (vẫn còn chảy được khi

úp ngược bình trong vòng 5 giây theo phương pháp đo ATSM D97)

Slug Catcher: thiết bị đặt tại đầu ra của ống, thường kết hợp với thiết bị tách, để xử lý nút lỏng

mà không gây xáo trộn các thông số vận hành của hệ thống công nghệ

Slugging: Chế độ chảy gián đoạn trong đường ống, gồm các nút lỏng (slug) và các túi khí xen kẽ

WAT (Wax Appearance Temperature): Nhiệt độ tinh thể sáp bắt đầu hình thành và tách ra, đôi khi còn gọi là điểm vẫn đục (Cloud Point), theo phương pháp đo ASTM D2500 Các phương

pháp đo có độ chính xác cao hơn bao gồm: CPM (Crosspolar Microscope), DSC (Differential Scanning Calorimeter) trong đó phương pháp đo bằng CPM có độ chính xác cao nhất

Water Cut, %: phần thể tích nước trong pha lỏng (dầu + nước) ở điều kiện chuẩn

Wax: những alkane mạch dài và thẳng trong dầu thô Khi nhiệt độ giảm, những hợp chất này sẽ

tách khỏi dầu tạo thành tinh thể sáp tích tụ trên thành ống hoặc gây tắc ống

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay nghành công nghiệp dầu khí ở nước ta phát triển mạnh mẽ góp phần rất lớn vào công cuộc xây dựng đất nước hiều mỏ dầu khí có trữ lượng lớn đ được phát hiện và khai thác

ên cạnh đó chúng ta vẫn đang tích cực tìm kiếm và phát triển nhiều mỏ mới đặc biệt là những

mỏ nhỏ/cận biên Đặc điểm của những mỏ này là có có trữ lượng thu hồi thấp và khó có khả năng phát triển độc lập Trong các trường hợp này, phương án phát triển bằng kết nối với các mỏ hiện có thường được lựa chọn do khả năng cho hiệu quả kinh tế cao hơn phương án phát triển độc lập Tuy nhiên, thách thức lớn nhất trong phương án phát triển kết nối đó là việc vận chuyển dầu khí sao cho đảm bảo an toàn trong suốt quá trình vận hành

Vì thế, việc tính toán để đảm bảo ổn định dòng chảy trong suốt quá trình vận chuyển trong khu vực nội mỏ cũng như kết nối các mỏ lân cận là rất quan trọng Vì trong quá trình vận chuyển nếu không có sự tính toán hợp lý thì gây ra sự thành tạo hydrate, para in, asphaltene, ăn mòn… gây tắc nghẽn đường ống ảnh hưởng đến khai thác dầu khí Với những l do trên tác giả lựa chọn

đề tài s n phẩm khai thác từ giàn

X2-WHP về giàn X1-CPP”

iệc tính toán này dựa trên đặc điểm khu vực mỏ, đặc tính của đường ống, tính chất hóa l của dầu khí, sản lượng khai thác

2 Mục đích và nội dung nghiên cứu

Mục đích của nghiên cứu là đề xuất phương án vận chuyển sản phẩm khai thác từ giàn WHP đến X1-CPP nhằm đảm bảo vận hành an toàn và hiệu kinh quả kinh tế

X2-Nội dung nghiên cứu bao gồm:

- Thu nhập số liệu đầu vào phục vụ cho nghiên cứu

- Xác định kích thước của đường ống vận chuyển

- Xác định yêu cầu bọc cách nhiệt nhằm đảm bảo dầu không bị sa lắng paraffin trong quá trình vận chuyển

- Xác định thời gian lưu chất trong ống bắt đầu không vận chuyển được sau quá trình dừng khai thác

- Xác định áp suất khởi động sau thời gian dừng khai thác

- Phân tích sự hình thành nút lỏng trong quá trình vận chuyển và xác định thông số thiết kế cho Slug Catcher

3 Phương pháp nghiên cứu

Dựa vào số liệu đầu vào thu nhập được, nghiên cứu và đánh giá các thông số:

- Thành phần và tính chất chất lưu

- Lưu lượng khai thác

- Các thông số về công nghệ: áp suất, nhiệt độ…

- Các thông số và tuyến đường ống: chiều dài, kích thước, lớp bọc…

- Điều kiện địa l địa hình đáy biển

- Các tính chất của môi trường xung quanh

Thực hiện lập/phân tích tính chất lưu bằng phần mềm PVTSim và Lập mô hình mô phỏng bằng phần mềm OLGA để:

- Phân tích thủy lực nhằm xác định kích thước đường ống

- Phân tích nhiệt nhằm xác định yêu cầu cách nhiệt của đường ống để tránh lắng đọng paraffin trong quá trình vận hành

- Phân tích các tính chất thủy lực-nhiệt tức thời bao gồm phân tích thời gian dừng khai thác, phân tích hình thành nút lỏng…nhằm đề xuất phương án vận chuyển an toàn

4 Cơ sở tài liệu luận văn

Luận văn được xây dựng trên cơ sở tài liệu phát triển mỏ, các dữ liệu khai thác và các tài liệu liên quan ở mỏ X

Các tài liệu hướng dẫn ứng dụng phần mềm OLGA và PVTSim

Bài giảng, giáo trình, các báo cáo liên quan đến vấn đề về đảm bảo dòng chảy, dòng chảy đa

pha trong đường ống, các mô hình tính toán

Các bài báo SPE liên quan đến nội dung luận văn

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

Ý nghĩa khoa học: Luận văn giải quyết vấn đề vận chuyển dầu khí an toàn ở khu vực mỏ X, tổng hợp các nền tảng lý thuyết về đảm bảo ổn định dòng chảy làm cơ sở cho việc nghiên cứu sau này

Ý nghĩa thực tiễn: Thông qua việc tính toán vận chuyển ở khu vực mỏ X Luận văn góp phần vào việc nghiên cứu vận chuyển dầu khí an toàn trong khu vực nội mỏ cũng như kết nối giữa các

mỏ với nhau trong tương lai

6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm 4 chương chính sau:

Chương 1 giới thiệu tổng quan về mỏ X và khu vực Tây Nam mỏ X như vị trí địa lý, hệ thống thiết bị khai thác bề mặt theo thiết kế và sản lượng của mỏ goài ra, trong chương này cũng sẽ trình bày các dữ liệu về địa hình đường ống, các dữ liệu về khí hậu thủy văn, các thông

số về công nghệ như áp suất, nhiệt độ…

Chương 2 sẽ trình bày về cơ sở lý thuyết cho tính toán vận chuyển bằng đường ống đa pha Chương này sẽ giới thiệu tổng quát về dòng chảy đa pha, các tính chất cơ bản của chất lưu vận chuyển trong đường ống Trong chương này cũng sẽ trình bày các tiêu chuẩn khi thiết kế đường ống dẫn dầu, các vấn đề liên quan đến truyền nhiệt cũng như tính toán lớp bọc cách nhiệt và giới thiệu khai quát về đảm bảo ổn định dòng chảy

Chương 3 sẽ trình bày các vấn đề thường xảy ra trong quá trình vận chuyển dầu khí như sự hình thành paraffin, sự ăn mòn đường ống và sự hình thành nút chất lỏng

Chương 4 sẽ trình bày chi tiết tính toán đảm bảo dòng chảy từ giàn X2-WHP về X1-CPP, bao gồm việc lựa chọn đường ống, tính toán lớp bọc cách nhiệt, phân tích thời gian dừng khai thác, tính toán áp suất khởi động và phân tích sự hình thành nút chất lỏng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỎ X – BỒN TRŨNG CỬU LONG

1.1.Giới thiệu tổng quan về mỏ X:

Mỏ X thuộc bồn trũng Cửu Long cách TP HCM 180km về phía Đông am Mỏ cho dòng dầu đầu tiên vào năm 2005 sau 4 năm phát triển với phương án phát triển của mỏ là xây dựng một giàn công nghệ xử lý trung tâm X1-CPP và một tàu chứa dầu FSO

Hiện tại, sản phẩm khai thác từ mỏ X và các mỏ khác chuyển về được xử lý tại giàn công nghệ xử l trung tâm, sau đó dầu sản phẩm được chuyển qua tàu chứa, khí được xuất về bờ và nước sau khi được xử l đạt chuẩn được thải trực tiếp ra biển Các giếng trên mỏ được cung cấp gaslift từ cụm máy nén trên giàn Trung Tâm X1-CPP, ngoài ra, trong tương lai sẽ cung cấp nước bơm ép cho mỏ

Ngoài ra, giàn công nghệ trung tâm X1-CPP còn đảm nhận xử lý sản phẩm, cung cấp khí nén

và nước bơm ép cho các mỏ khác

Sản lượng khai thác của mỏ hiện nay đạt 10,000 thùng/ngày

Hệ thống thiết bị chính trên mỏ X bao gồm giàn công nghệ xử lý trung tâm X1-CPP và một tàu chứa dầu (FSO) Giàn công nghệ xử lý trung tâm đảm nhận xử lý sản phẩm khai thác của mỏ

X và một phần sản phẩm của các mỏ khác chuyển về Dầu sau khi được xử l được vận chuyển

về tàu chứa FSO thông qua hệ thống đường ống nội mỏ

Công suất thiết kế xử lý của giàn công nghệ trung tâm mỏ X được thể hiện tại Bảng 1-1

Bảng 1-1 Công suất xử lý của giàn công nghệ trung tâm X1-CPP [24]

Tổng lượng chất lỏng khai thác (thùng/ngày) 175,000

i) Hệ thống xử lý dầu: Sản phẩm khai thác được từ mỏ X và từ các mỏ khác được vận

chuyển đến giàn công nghệ trung tâm xử lý Sản phẩm khai thác sẽ đi theo đường như sau qua hệ thống xử lý dầu để đạt được mức dầu thành phẩm để chuyển qua tàu chứa FSO: bình tách cao áp, bình tách trung áp, bình tách thấp áp và bình tách tĩnh điện; dầu sau khi ra khỏi bình tách tĩnh điện sẽ đạt chuẩn để xuất qua tàu chứa thông qua hệ

thống bơm chuyển dầu

ii) Hệ thống xử lý khí: Sản phẩm dầu khí nước sau khi đi qua bình tách cao áp thì được

tách thành dầu, khí và nước Khí sau khi được tách ra từ bình tách cao áp sẽ được đi qua hệ thống xử l khí để đạt chuẩn làm khí nén, khí nhiên liệu và khí xuất Hệ thống

xử l khí như sau: hệ thống làm mát khí, hệ thống máy nén tăng áp, hệ thống làm mát

và hệ thống làm khô khí Khí sau khi đi qua hệ thống làm khô khí sẽ được chia theo

các đường như sau:

 Dùng làm khí nén cung cấp cho các giếng của mỏ X và các mỏ khác

 Dùng làm khí nhiên liệu cung cấp cho hệ thống máy chạy bằng khí trên giàn công nghệ trung tâm

 Lượng khí dư còn lại sẽ được xuất về bờ

iii) Hệ thống xử lý nước: Sản phẩm nước được tách ra từ bình tách cao áp sẽ đi qua hệ

thống xử l nước để đạt chuẩn trước khi thải ra biển Hệ thống xử l nước bao gồm:

hệ thống Hydrocyclone và hệ thống Flotation Cell

ăm 2012, trong chương trình khoan thăm dò mở rộng về phía Tây Nam của mỏ X cách giàn công nghệ trung tâm X1-CPP khoảng 7,5 km hà điều hành đ phát hiện thương mại tại giếng khoan thăm dò 6X với kết quả thử vỉa cho dòng dầu tối đa là 10,500 thùng dầu/ngày

Trữ lượng thu hồi khu vực phía Tây Nam là 11,49 triệu thùng đến khi kết thúc hợp đồng vào năm 2023

Trong quá trình phát triển mỏ, nhà điều hành đ đưa ra hai phương án để phát triển cho khu vực Tây Nam xây dựng đầu giếng ngầm hoặc giàn đầu giếng không người ở và kết nối với các giàn lân cận

Dựa trên cơ sở đảm bảo kỹ thuật và hiệu quả về kinh tế, phương án phát triển được đề xuất là xây dựng một giàn đầu giếng kết nối với giàn công nghệ trung tâm CPP Chi tiết phương án phát

triển và hệ thống thiết bị chính được trình bày tại mục 1.2

1.2 Phương án phát triển cho khu vực Tây Nam của mỏ X

- Hệ thống đường ống ngầm và cáp điện ngầm nội mỏ:

 01 đường ống khai thác đa pha dài 7,5 km để vận chuyển dầu khai thác từ giàn WHP đến giàn X1-CPP xử lý

X2- 01 đường ống Gaslift từ giàn X1-CPP dài 7,5 km để cung cấp khí Gaslift cho các giếng tại X2-WHP

 01 tuyến cáp ngầm cung cấp điện và thông tin liên lạc giữa giàn X2-WHP và CPP

X1- goài ra 01 đường bơm ép dài 7,5 km sẽ được xem xét lắp đặt vào giai đoạn sau nếu quá trình khai thác cho thấy cần phải chuyển đổi giếng khai thác thứ 03 thành giếng bơm ép

Hình 1-1 Phương án phát triển khu vực Tây Nam

1.2.2 Hệ thống thiết bị chính trên giàn X2-WHP:

Giàn đầu giếng X2-WHP được thiết kế là giàn không người với 03 chân, 03 lỗ giếng khoan bao gồm 02 lỗ giếng đôi và 01 lỗ giếng đơn trong đó 01 lỗ giếng đơn dùng để kết nối giếng khoan thăm dò 6X, 01 lỗ giếng đôi dùng để khoan 02 giếng mới và 01 lỗ giếng đôi để dự phòng

Hệ thống thiết bị chính của giàn bao gồm:

- Hệ thống điện: hệ thống nguồn điện chính của giàn là 3 pha, 60Hz được cung cấp từ giàn X1-CPP qua đường cáp ngầm Hệ thống điện dự phòng được cung cấp bởi 24VDC UPS

- Hệ thống kiểm soát: bao gồm 1 hệ thống kiểm soát xử lý (Process Control System - PCS)

và 1 hệ thống ngắt khẩn cấp (Emergency Shutdown – ESD) được thiết kế để vận hành và tương tác với hệ thống điều khiển, vận hành hiện hữu trên X1-CPP, gồm các thiết bị:

 Thiết bị điều khiển và vận hành an toàn (Process & Safety Control)

 Thiết bị đo lưu lượng giếng (Multiphase Flow Meter-MPFM)

 Hệ thống thông tin liên lạc (Telecomunication System)

 Hệ thống phát hiện và báo cháy (Fire and Gas Detector)

 Hệ thống ngắt khẩn cấp (Emergency Shutdown- ESD)

- Hệ thống bơm hóa phẩm: cung cấp hóa phẩm để chống lắng đọng paraffin và chống ăn mòn

- Hệ thống xả, hệ thống thu nhận thoi và hệ thống an toàn

Chi tiết thông số thiết kế được thể hiện ở Bảng 1-2

Bảng 1-2 Thông số thiết kế X2-WHP [5]

Áp suất đóng giếng lớn nhất (psig) 1800

Lưu lượng dầu tối đa (thùng/ngày) 8.659

Lưu lượng chất lỏng tối đa (thùng/ngày) 12.000

1.3.Cở sở dữ liệu ban đầu phục vụ mô phỏng

Trong phần này tóm tắt các dữ liệu phục vụ việc mô phỏng quá trình thiết kế đường ống, tính toán lớp bọc cách nhiệt, phân tích ổn định dòng chảy như thành phần chất lưu, sản lượng khai thác, địa hình của đường ống, dữ liệu về khí hậu thủy văn, các thông số công nghệ…

1.3.1 Thành phần cấu tử của sản phẩm khai thác và Gaslift:

Một trong những cơ sở dữ liệu quan trọng để mô hình hóa các quá trình nhiệt thủy động lực đường ống là thành phần cấu tử của sản phẩm khai thác Thành phần cấu tử của sản phẩm khai

thác được lấy từ mẫu phân tích của mẫu giếng khoan thăm dò 6X [24]

Sản phẩm khai thác ở khu vực Tây Nam là dầu có hàm lượng paraffin cao, có nhiệt độ bắt đầu kết tinh paraffin là 54,5 0

C và và nhiệt độ đông đặc của dầu là 300C Giản đồ pha của dầu ở khu vực Tây am được thể hiện trên Hình 1-2

Hình 1-2 Giản đồ pha của dầu ở khu vực Tây Nam

Chi tiết thành phần cấu tử của sản phẩm khai thác và thành phần khí Gaslift được trình bày tại Phụ lục 1 và Phụ lục 2

1.3.2 Sản lượng khai thác của mỏ X ở khu vực Tây Nam

Mỏ khu vực Tây Nam dự kiến sẽ được đưa vào khai thác vào Qu 4 năm 2014 với 02 giếng khai thác và 01 giếng sẽ được đưa vào khai thác sau một năm khai thác

Hình 1-3 mô tả dự báo sản lượng khai thác đến năm 2023 Mỏ đạt sản lượng cao nhất năm

2015 với sản lượng đạt đỉnh là 11.063 thùng/ngày Trữ lượng thu hồi của dự án tính đến thời điểm kết thúc hợp đồng năm 2013 ước đạt 11,49 triệu thùng dầu

Chi tiết sản lượng khai thác ở khu vực Tây Nam mỏ X được thể hiện Phụ lục 3[24]

Hình 1-3 Biểu đồ dự báo sản lượng khai thác ở khu vực Tây Nam

1.3.3 Dữ liệu về đường ống khai thác

Tuyến ống ngầm vận chuyển sản phẩm từ giàn X2-WHP đến X1-CPP được đặt trên nền cát của đáy biển tương đối bằng phẳng Độ sâu (tính từ mực nước biển đến đáy biển) tại giàn X2-WHP là -46.7 m và độ sâu tại giàn X1-CPP là -53.1m

Đoạn ống đứng (Riser) có chiều cao +20m tính từ mặt nước biển lên CPP và WHP Hình 1-4trình bày địa hình tuyến ống từ giàn X2-WHP đến X1-CPP với tổng chiều dài 7,5 km (đ bao gồm các đoạn ống trên giàn X1-CPP và X2-WHP)

Hình 1-4 Địa hình tuyến ống vận chuyển sản phẩm từ giàn X2-WHP đến X1-CPP [24]

Nhằm mục đích tính toán thủy lực nhiệt đường ống, cấu trúc của tuyến ống và tính chất của vật liệu cần khảo sát được trình bày tại Bảng 1-3 và Bảng 1-4

Bảng 1-3 Thông số về đường ống cần khảo sát

Đường kính ngoài Inch 8,626/ 10,748/ 12,752

Đường kính trong Inch 7,980/ 10,020/ 11,941

Bảng 1-4 Tính chất của vật liệu [11]

Vật liệu Nhiệt dung riêng,

J/kg.K

Tỷ trọng, kg/m 3

Hệ số dẫn nhiệt, W/m.K

1.3.4 Dữ liệu về điều kiện khí hậu thủy văn

Trong bảng Bảng 1-5 dưới đây tóm tắt các số liệu về khí hậu thủy văn nơi đường ống dẫn sản phẩm từ giàn X2-WHP về X1-CPP đi qua, được sử dụng trong các mô phỏng

Bảng 1-5 Dữ liệu về môi trường tại khu vưc mỏ X [24]

X1-CPP: 53,1 X2-WHP: 46,8

Nhỏ nhất : 21,5 Lớn nhất : 34,5

18 (1 năm),

22 (10 năm),

28 (100 năm) Nhiệt độ bề mặt nước biển oC Nhỏ nhất: 26,3

Lớn nhất: 28,8

Nhỏ nhất: 23,7 Lớn nhất: 25,3

1.3.5 Các điều kiện ràng buộc

Trong Bảng 1-6 dưới đây tóm tắt các điều kiện ràng buộc tại X2-WHP và X1-CPP bao gồm các thông số áp suất, nhiệt độ, nhiệt độ bắt đầu kết tinh paraffin và điểm đông đặc của dầu

Bảng 1-6 Các điều kiện ràng buộc [24]

2 Áp suất đầu vào cho phép tại

5 hiệt độ bắt đầu hình thành para in °C 54,5

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN ĐƯỜNG ỐNG

VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ ĐA PHA

2.1 Các khái niệm cơ bản về dòng chảy đa pha

Dòng chảy đa pha là dòng chảy đồng thời của hai hay nhiều pha qua đường ống hoặc thiết bị Loại dòng chảy này xuất hiện trong xuyên suốt quá trình từ quá trình khai thác đến quá trình xử

lý và vận chuyển bằng đường ống

Trong quá trình khai thác dầu khí ngoài khơi, dòng đa pha có thể xuất hiện ở trong mỏ, trong giếng khoan, trong các đường ống từ đầu giếng đến các thiết bị tách hoặc từ các thiết bị công nghệ đến nơi xuất, trong các thiết bị bình tách hay trong các đường ống một pha hoặc trong các thiết bị công nghệ mà có sự thay đổi lớn về nhiệt độ và áp suất

Khi nghiên cứu về dòng chảy hai pha trong đường ống, có rất nhiều thông số liên quan tương tác lẫn nhau Trong đó sự khác nhau về tỷ trọng và độ nhớt đ làm cho vận tốc giữa các pha khí

và lỏng khác biệt nhau trong đường ống Đối với dòng hướng lên, pha khí có mật độ và độ nhớt thấp hơn có khuynh hướng di chuyển với vận tốc cao hơn so với pha lỏng gược lại, đối với dòng hướng xuống, pha lỏng thường di chuyển nhanh hơn pha khí goài ra, các thông số như chế độ dòng chảy, tổn hao áp suất, tỷ phần chất lỏng cũng là một trong những thông số khá quan trọng khi nghiên cứu về dòng chảy đa pha

2.1.1 Các chế độ dòng chảy của dòng

Trong dòng chảy đa pha, pha khí và pha lỏng được phân bố theo những kiểu khác nhau gọi là chế độ dòng chảy của dòng, phụ thuộc vào chủ yếu vào tốc độ dòng chảy của các pha và độ dốc của đường ống

Đường ống được chia thành hai loại theo độ dốc với phương ngang là: đường ống nằm ngang (độ dốc ± 10o) và đường ống thẳng đứng (từ 10 ÷ 90o

)

- Trong đường ống nằm ngang, dòng chảy đa pha có thể thay đổi nhiều chế độ dòng chảy khác nhau Đối với dòng chảy hai pha khí lỏng thì có thể tồn tại các chế độ dòng chảy như Hình 2-1

Hình 2-1 Chế độ dòng chảy trong đường ống nằm ngang

- Trong đường ống thẳng đứng, dòng chảy hai pha có thể được phân loại thành các chế độ dòng chảy như mô tả tại Hình 2-2

Hình 2-2 Chế độ dòng chảy trong đường ống nằm ngang

Dòng chảy bọt khí

Dòng chảy nút

Dòng chảy khuấy

Dòng chảy vành xuyến

2.1.1.1 Dòng ch y phân lớp:

Pha lỏng phân bố dọc theo phía dưới tuyến ống nằm ngang, pha khí nằm trên pha lỏng và được ngăn cách bởi mặt mặt phân giới khí-lỏng Bao gồm dòng chảy phân tầng và dòng chảy dạng sóng

Dòng chảy này hình thành này do các yếu tố sau:

- Lưu lượng nhỏ, đường ống nằm ngang, pha lỏng và khí phân tách do trọng lực

- Khi tốc độ pha khí nhỏ, bề mặt pha lỏng phẳng lặng, khi tốc độ khí tăng, bề mặt lỏng nhấp nhô sóng

- Dòng phân lớp chỉ xuất hiện với các đường ống có độ dốc nhất định, nó không xuất hiện trong các đường ống đi lên có độ dốc >1o

và trong lõi khí còn những giọt chất lỏng nhỏ

Dòng chảy này hình thành do các yếu tố sau:

- Tốc độ pha khí lớn, pha lỏng chảy thành lớp màng bám sát thành ống, pha khí và các hạt lỏng lơ lửng chảy bên trong

- Chiều dày màng lỏng thường khá đồng đều (đối xứng) với dòng chảy đứng, nhưng với dòng chảy ngang điều này không đúng do tác dụng của trọng lực

- Khi vận tốc khí tăng, chiều dày màng lỏng giảm, lượng lỏng lẫn trong khí tăng

- Dòng chảy hình khuyên xuất hiện tại tất cả độ dốc, hầu hết các đường ống đứng vận chuyển khí/lỏng (khí chủ yếu) ở áp suất cao là chảy hình khuyên

2.1.1.3 Dòng ch y bọt phân tán

Xuất hiện trong cả ống nằm ngang và ống thẳng đứng, các pha khí tồn tại dưới dạng bong bóng khí nhỏ và phân tán trong chất lỏng Khi vận tốc pha lỏng tăng lên, kích thước của các bong bóng khí này tăng do sự tích tụ các bong bóng khí nhỏ lại với nhau Cuối cùng, một dãy

liên tục các bong bóng khí được hình thành trong pha lỏng và có khuynh hướng tập trung gần phía trên thành ống

Dòng chảy này hình thành này do các yếu tố sau:

- Hệ chủ yếu là pha lỏng chảy với vận tốc lớn, dòng chảy là hỗn hợp của pha lỏng và những bọt khí nhỏ

- Với dòng chảy đứng, chế độ này có thể xuất hiện với tốc độ pha lỏng vừa phải khi vận tốc khí rất thấp

- Xuất hiện tại tất cả các độ dốc của dòng

Dòng chảy này hình thành này do các yếu tố sau:

- Dòng chảy không liên tục, gồm những cục lỏng và những túi khí xen kẽ nhau

- Có thể xem chế độ chảy này là sự kết hợp của dòng chảy phân tầng và dòng chảy bọt phân tán

- Trong các đường ống ngoài mỏ, dòng nút lỏng thường xuất hiện trong những ống có độ dốc lên Nó có thể xảy ra ở tất cả các độ dốc

- Cục chất lỏng có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng như ảnh hưởng tới chế độ vận hành của các thiết bị hạ nguồn, làm tăng ăn mòn…

2.1.1.5 Dòng ch y dạng bọt kéo dài

Có cấu trúc tương tự như dòng chảy dạng nút, nhưng các bọt khí bị tắc nghẽn một thời gian ngắn, vì vậy trở nên gián đoạn, những bọt khí nhỏ hơn và di chuyển chậm hơn so với dòng chảy dạng nút Dòng chảy thường xuất hiện tại ống nằm ngang

2.1.1.6 Dòng ch y dạng khuấy

Ở dòng chảy dạng khuấy hay còn gọi là dòng chảy sủi bọt, các bọt khí và nút khí trở nên bị biến dạng nhiều và xuất hiện sự hòa lẫn vào nhau khi pha khí có vận tốc dòng chảy lớn Sự khác biệt giữa dòng chảy dạng nút khí và dòng chảy khuấy là màng chất lỏng bao quanh nút khí sẽ không xuất hiện ở dòng chảy khuấy

2.1.2 Biểu đồ chế độ dòng chảy của dòng

Vị trí tương đối của pha lỏng đối với pha khí trong quá trình vận chuyển bằng đường ống tạo nên các dạng cấu trúc và chế độ dòng chảy khác nhau Việc xác định chế độ dòng chảy trong đường ống vận chuyển dầu khí là rất cần thiết cho quá trình tính toán và mô phỏng

Chế độ chảy của dòng chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ chảy của các pha và độ dốc đường ống Hình 2-3mô tả biểu đồ dòng chảy trong ống ngang và hình 2-4 mô tả biểu đồ dòng chảy trong ống đứng

Hình 2-3 Biểu đồ chế độ dòng chảy trong ống ngang

Dạng sóng

Ch y tầng

Hình 2-4 Biểu đồ chế độ dòng chảy trong ống đứng

2.1.3 Một số đại lượng liên quan đến dòng đa pha

Nút khí – khuấy

Là vận tốc thể tích trung bình của hỗn hợp khí – lỏng

p

T SG SL m

A

Q V V

(2.2)

Với: + Vm: vận tốc hỗn hợp (ft/s)

+ QT = QLA + QGA: tổng lưu lượng thực lưu thể trong ống (ft3/s)

2.1.3.3 Sự ượt (Slip) và th tích chất lỏng chiếm chỗ (Liquid Holdup)

a) Sự trượt

Nếu vận tốc của pha khí và pha lỏng trong đường ống bằng nhau thì ta gọi dòng chảy là

“không trượt (No-Slip)” Tuy nhiên, trong hầu hết các ống dẫn, pha khí di chuyển với tốc độ nhanh hơn pha lỏng, vì thế có sự trượt lên nhau giữa các pha, ta gọi dòng chảy này là “trượt (Slip)”

b) Liquid Holdup

Được định nghĩa là phần thể tích của ống dẫn bị chiếm bởi pha lỏng

- Với dòng chảy “không trượt”, thể tích chất lỏng chiếm chỗ bằng tỷ số giữa lưu lượng thực pha lỏng và tổng lưu lượng lưu thể trong ống:

m

SL T

LA s

V

V Q

Q

Hln  

(2.3)

Với: Hlns: Phần thể tích chất lỏng chiếm chỗ của dòng chảy không trượt

QLA: lưu lượng lỏng thực, ft3/sec

QT: tổng lưu lượng thực lưu thể trong ống, ft3/sec

- Với các dòng chảy có hiện tượng trượt, thể tích chất lỏng chiếm chỗ sẽ lớn hơn trường hợp không trượt với cùng lưu lượng:

 Kích thước thiết bị Slug Catcher có thể xử l lượng lỏng trong quá trình phóng

thoi

+ Giá trị của HL thường được xác định nhờ các tương quan thực nghiệm như Beggs & Brill, Eaton và có thể dự đoán chính xác bằng các mô hình cơ sở (Mechanistical Model)

+ HL phụ thuộc vào tính chất của pha khí và lỏng, chế độ dòng chảy, đường kính

và độ dốc của ống cũng như lưu lượng lưu thể

- Ảnh hưởng của các thông số vận hành chính đến liquid holdup:

Bảng 2-1 Ảnh hưởng của các thông số vận hành chính đến Liquid Holdup

Dòng chảy dạng nút

Dòng chảy vành xuyến

Dòng chảy tầng

Dòng chảy bọt phân tán Vận tốc khí bề

Tính chất chất

lỏng

2.1.3.4 V n tốc thực của pha lỏng và pha khí

L SL p

L

LA L

H

V A H

GA G

H

V A H

Q

(2.4)

Với: HL, HG: Liquid và Gas Holdup

2.1.3.5 Chất lỏng Newton và phi Newton

Hầu hết condensate và dầu thô tuân theo định luật về độ nhớt của Newton:

dy

d x yx

vx: tốc độ di chuyển theo phương x y: khoảng cách

Những chất lỏng tuân theo định luật trên gọi là chất lỏng ewton, tuy nhiên cũng có một vài chất lỏng không tuân theo, chúng được gọi là chất lỏng phi Newton Trong khai thác dầu khí, một ví dụ về chất lỏng phi Newton là bùn khoan, phụ gia polymer hoặc dầu thô ở nhiệt độ dưới điểm vẫn đục (Cloud Point)

2.1.4 Trở lực của đường ống đa pha

Tổng tốn thất áp suất qua một đường ống đa pha ΔPT, được tính bởi công thức sau:

ΔPT = ΔPf + ΔPel + ΔPacc (2.6)

Trong đó: ΔPf: tổn thất áp suất do ma sát

ΔPel: tổn thất áp suất do thay đổi độ cao

ΔPacc: tổn thất áp suất do sự gia tốc lưu thể Dòng đa pha là một hiện tượng phức tạp, rất khó để dự đoán và mô hình hóa chính xác Các phương pháp tiếp cận đối với dòng đơn pha không còn phù hợp đối với đường ống đa pha Các yếu tố gây nên sự phức tạp này bao gồm ma sát giữa các pha và sự khác biệt lớn giữa tính chất của từng pha riêng biệt (ví dụ: tỷ trọng, nhiệt dung…) cũng như sự chuyển pha có thể xảy ra trong quá trình vận chuyển

Có ba cách tiếp cận được sử dụng trong thực tế để tính toán các tính chất đa pha như gradient

áp suất và nhiệt độ: mô hình dòng đơn pha, mô hình hệ số ma sát và mô hình cơ học Hai mô hình đầu tiên sử dụng các tính chất giả của dòng đa pha bằng các hệ số thực nghiệm dựa trên tính chất từng pha riêng biệt Mô hình Beggs & Brill (1973) là một mô hình điển hình và được sử dụng trong nhiều đánh giá quan trọng khi không có mô hình OLGA-S Tuy nhiên, kết quả thu được từ mô hình này không tốt lắm và thường có xu hướng dự đoán quá cao tổn thất áp suất dẫn đến làm tăng chi phí đầu tư

Mô hình cơ học dựa trên các định luật cơ bản như: bảo toàn moment, bảo toàn vật chất, bảo toàn năng lượng và các định luật truyền khối

Cân bằng moment cho pha khí và pha lỏng được Taitel và Dukler đề nghị như sau:

Cân bằng moment cho pha lỏng:

L: Lỏng i: Măt phân cách Tổn thất áp suất chấp nhận được: Không có tiêu chuẩn rõ ràng để xác định tổn thất áp suất chấp nhận được trong các thiết kế đường ống Các tiêu chuẩn sau chỉ có nghĩa tham khảo:

- Với đường ống trong nhà máy: ΔPf = 0.2 ÷ 0.5 psi/100 ft chiều dài

- Nếu không thể mô phỏng hệ thống một cách chính xác, tổng tổn thất áp suất chấp nhận được qua đường ống thường lấy bằng 1/3 chênh lệch áp suất ở đầu giếng và bình tách Phần còn lại là trở lực của van tiết lưu

- Đường ống vận chuyển Khí/Condensate dài: ΔPT = 10 ÷ 20 psi/mile

- Khi thiết kế đường ống cần phải cân nhắc các yếu tố như khả năng thu hồi dầu, công suất các hệ thống thượng nguồn và hạ nguồn

2.2 Quá trình truyền nhiệt và các vấn đề liên quan

2.2.1 Sự truyền nhiệt từ lư ường ố a ôi ường bên ngoài

Để có thể mô hình hóa sự truyền nhiệt từ lưu thể trong ống ra môi trường bên ngoài, ta cần

phải biết được các thông tin sau:

- Độ dày của thành ống, lớp bảo vệ và lớp phủ cách nhiệt

- Ống được chôn hay phơi ngoài môi trường

- Độ sâu chôn đường ống

- Dạng môi trường xung quanh (khí, nước…)

- Nhiệt độ môi trường

- Hệ số dẫn nhiệt của ống dẫn, lớp bảo vệ, lớp cách nhiệt

Hình 2-5: Mặt cắt ngang của một đường ống dẫn

Các dạng truyền nhiệt từ ống ra môi trường:

- Dẫn nhiệt qua tường và các lớp cách nhiệt

- Truyền nhiệt đối lưu từ lưu thể đến thành ống phía trong và từ thành ống phía ngoài đến môi trường

- Bức xạ nhiệt: chỉ chiếm tỉ lệ rất nhỏ với hệ có nhiệt độ thấp

2.2.1.1 Sự dẫn nhiệt qua thành ống

Hình 2-6 Dẫn nhiệt qua thành ống

Nhiệt lượng truyền qua 1 m chiều dài ống được tính theo công thức:

r

r k

- H: hệ số truyền nhiệt qua 1m chiều dài ống, W/m.K

- ki: hệ số truyền nhiệt của các lớp, W/m.K

- ri: bán kính truyền nhiệt, m

Hệ số truyền nhiệt qua thành ống tính theo đường kính trong của ống:

iD

H h



.K (2.10)

Trong đó:

- h: hệ số truyền nhiệt qua thành ống tính theo đường kính trong , W/m2.K

- πDi: chu vi trong của ống, m

2.2.1.2 Truyền nhiệ ối lư

Cả bề mặt bên trong và bên ngoài ống dẫn đều tiếp xúc với các lưu chất vì thế truyền nhiệt đối lưu sẽ xảy ra khi có sự khác biệt về nhiệt độ giữa bề mặt thành ống và lưu chất

Sự truyền nhiệt này xuất hiện tại lớp màng lưu chất sát bề mặt thành ống

a) Đối lư ội

- Nhiệt được truyền từ lưu chất đến thành ống phía trong

- Phương trình Dittus-Boelter cho sự truyền nhiệt của dòng chảy xoáy:

k

D h

Nu 

 Re: chuẩn số Reynolds:

f

f f i i

v D







Re

 Pr: chuẩn số Prandtl:

f

f pf i

k



Pr

 n: 0.4 nếu lưu chất bị đốt nóng, 0.3 nếu lưu chất bị làm nguội

 hi: hệ số truyền nhiệt đối lưu nội, Btu/ft2.hr.oF (W/m2.K)

 Di: đường kính trong của ống, m

 kf: hệ số dẫn nhiệt của lưu thể, Btu/ft.hr.oF (W/m.K)

 vf: vận tốc lưu chất, ft/s hoặc m/s

 ρf: khối lượng riêng lưu chất, lb/ft3 hoặc kg/m3

 μf: độ nhớt lưu chất, lb/ft.s hoặc Pa.s

 Cpf: nhiệt dung riêng đẳng áp của lưu chất, Btu/lb.oF (J/kg.K)

- Tính chất của lưu thể được đo tại nhiệt độ trung bình của nó

- Công thức trên được áp dụng khi Re > 10,000 và Pr = 0.7 ÷ 160, chiều dài ống L > 10D

- Với chế độ chảy dòng (chảy màng – Re < 2,100), hi được tính nhờ phương trình Hausen:

2/3

PrRe)(4.01

PrRe)(668.066

.3

i i o i

i

L D L

D

Nu (2.12)

 Với Lo là khoảng cách từ đầu vào của ống đến điểm cần khảo sát

 Trong hầu hết các trường hợp, Di/Lo ≈ 0 nên ui = 3.66

- Với chế độ chảy trung gian ( 2,100 < Re < 10,000), sử dụng phương trình Gnielinski:

) 1 (Pr

) 8 / ( 7 12 1

Pr ) 1000 )(Re

8 / (

3 / 2 2 /

Hình 2-7 Giản đồ Moody [13]

b) Đối lư ại:

- Nhiệt truyền từ thành ống ngoài đến môi trường (nước, không khí…)

- Hệ số truyền nhiệt đối lưu ngoại tính theo công thức của Hilpert:

k

D h

 Re: chuẩn số Reynolds:

o

o o o o

v D

k

C , 

Pr 

 ho: hệ số truyền nhiệt đối lưu ngoại, Btu/ft2.hr.oF (W/m2.K)

 Do: đường kính ngoài của ống, m

 ko: hệ số dẫn nhiệt của lưu thể môi trường, Btu/ft.hr.oF (W/m.K)

 vo: vận tốc lưu thể môi trường, ft/s hoặc m/s

 ρo: khối lượng riêng lưu thể môi trường, lb/ft3 hoặc kg/m3