Tính toán đảm bảo dòng chảy cho đường ống vận chuyển dầu khí tử mỏ x đến giàn xử lý trung tâm mỏ y

Nội dung: ‒ Tổng quan về vận chuyển dầu khí bằng đường ống và các phương pháp tối ưu hóa ‒ Cơ sở lý thuyết về dòng chảy đa pha trong đường ống ‒ Tính toán nhiệt, thủy lực và mô phỏng d

-

NGUYỄN VĂN BUÔN

TÍNH TOÁN ĐẢM BẢO DÒNG CHẢY CHO ĐƯỜNG ỐNG VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ TỪ MỎ X ĐẾN GIÀN XỬ LÝ

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS Đỗ Quang Khánh

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS Trần Đức Lân

Cán bộ phản biện 1: TS Phạm Hoàng Việt

Cán bộ phản biện 2: TS Nguyễn Hữu Nhân

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trư ờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm 2018

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

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 TS Mai Cao Lân – Chủ tịch Hội đồng

2 TS Hoàng Quốc Khánh – Thư ký hội đồng

3 TS Phạm Hoàng Việt – Cán bộ phản biện 1

5 TS Nguyễn Hữu Chinh - Ủy viên

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

Họ tên học viên: Nguyễn Văn Buôn MSHV:7140873

Ngày, tháng, năm sinh: 03/03/1986 Nơi sinh: Hà Nam

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Dầu Khí Mã số: 60 52 06 04

I TÊN ĐỀ TÀI: “TÍNH TOÁN ĐẢM BẢO DÒNG CHẢY CHO ĐƯỜNG ỐNG VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ TỪ MỎ X ĐẾN GIÀN XỬ LÝ TRUNG TÂM MỎ Y”

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nhiệm vụ: tính toán mô phỏng nhiệt, thủy lực đường ống vận chuyển đưa ra phương pháp vận hành tối ưu

Nội dung:

‒ Tổng quan về vận chuyển dầu khí bằng đường ống và các phương pháp tối ưu hóa

‒ Cơ sở lý thuyết về dòng chảy đa pha trong đường ống

‒ Tính toán nhiệt, thủy lực và mô phỏng dòng chảy trong đường ống vận chuyển dầu khí từ mỏ X đến giàn xử lý trong tâm mỏ Y bằng phần mềm pipesim và đề xuất phương án tối ưu quá trình vận chuyển

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

Ngày 09/09/2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo của trường Đại học Bách khoa Tp HCM (HCMUT) đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường

Tôi xin cùng bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy giáo của trường Đại học Bách khoa Tp HCM, những người đã đem lại cho tôi những kiến thức bổ trợ rất hữu ích về lĩnh vực kỹ thuật dầu khí

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Đỗ Quang Khánh, TS Trần Đức Lân đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và cung cấp các kiến thức khoa học cần thiết giúp tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu của mình

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã luôn bên tôi, động viên và khuyến khích tôi trong suốt quá trình tôi học tập và thực hiện đề tài này

Tp HCM, ngày 17 tháng 9 năm 2018

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Văn Buôn

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

I Thông tin chung:

1 Họ và tên học viên: Nguyễn Văn Buôn MHV: 7140873

2 Chuyên ngành: Kỹ thuật Dầu khí Lớp:

3 Người hướng dẫn: TS Đỗ Quang Khánh, TS Trần Đức Lân

4 Đơn vị: HCMUT

5 Tên đề tài: “Tính toán đảm bảo dòng chảy cho đường ống vận chuyển dầu khí từ

mỏ X đến giàn xử lý trung tâm mỏ Y”

II 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, bên cạnh đó, nhiều rủi ro luôn tồn ẩn trong quá trình vận hành hệ thống đường ống này, đặc biệt đối với những đường ống ngầm dài hàng chục kilomet dưới đáy biển Do đó, trong luận văn này, giải pháp tối ưu hóa quá trình vận chuyển hỗn hợp dầu khí trong đường ống ngầm dưới biển nhằm đảm bảo tính ổn định dòng chảy trong ống, giảm thiểu rủi ro và chi phí vận hành được thực hiện

Luận văn này được trình bày trong 96 trang bao gồm các phần: mở đầu, 3 chương, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo

Trong chương 1 trình bày về tổng quan về vận chuyển dầu khí bằng đường ống; chương 2 trình bày về cơ sở lý thuyết vận chuyển dầu khí và tối ưu hóa và trình bày một cách tổng quan về các hệ phương pháp nghiên cứu nhằm xác định mục đích, đối tượngvà các phương pháp sử dụng cho việc tối ưu; chương 3 sẽ áp dụng cơ sở lý thuyết và tính toán nhằm xây dựng mô hình dòng chảy đa pha trong đường ống vận chuyển dầu khí từ mỏ X đến giàn xử lý trung tâm mỏ Y

bằng đường ống ngầm dưới biển từ mỏ X đến giàn xử lý trung tâm mỏ Y Dựa trên cơ sở

lý thuyết đã trình bày ở những phần đầu, các thành phần, tính chất chất lưu và hiện trạng làm việc thực tế trong đường ống vận chuyển này được tiến hành phân tích và đưa ra nhận xét Sau quá trình phân tích này xây dựng chi tiết bao gồm thu thập và xử lý các số liệu đầu vào cần thiết phục vụ cho việc xây dựng mô hình, hiệu chỉnh mô hình, sử dụng mô hình

mô phỏng bài toán

Phần cuối của luận văn ứng dụng phần mềm Pipesim của hãng Schlumberger tính toán nhiệt thủy lực tuyến ống từ mỏ X đến giàn xử lý trung tâm mỏ Y ở các chế độ lưu lượng hiện thời và chế độ lưu lượng trong tương lai nhằm cho ra kết quả chính xác nhanh nhất Trên

cơ sở phân tích và đánh giá kết quả đạt được đề xuất phương án tối ưu nhằm cải thiện hiệu suất vận hành cũng như giảm thiểu rủi ro và tiết kiệm được chi phí xử lý nhằm mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao nhất trong quá trình vận hành

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần làm cơ sở lý luận và thực tiễn để nghiên cứu phát triển mô hình tối ưu đường ống vận chuyển dầu khí trên các vùng biển của Việt Nam Bên cạnh đó kết quả của luận văn là cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu phát triển mạng lưới đường ống kết nối vận chuyển nội mỏ và vận chuyển dầu khí từ các mỏ ngoài khơi về đất liền Từ đó đề xuất phương án vận chuyển dầu khí từ mỏ X đến giàn xử lý trung tâm mỏ Y tối ưu nhằm giảm thiểu rủi ro trong qúa trình vận chuyển dầu khí bằng đường ống

iv

Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Văn Buôn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC HÌNH VẼ x

MỞ ĐẦU xii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ BẰNG ĐƯỜNG ỐNG 1

1.1 Tổng quan về vận chuyển dầu khí bằng đường ống 1

1.2 Mục tiêu của việc tối ưu hóa – đảm bảo dòng chảy trong đường ống vận chuyển dầu khí 2

1.3 Phương pháp tối ưu hóa - đảm bảo dòng chảy 3

1.3.1 Mục tiêu tối ưu hóa - đảm bảo dòng chảy 3

1.3.2 Các thông số vận hành và kiểm soát quá trình tối ưu hóa - đảm bảo dòng chảy3 1.3.3 Các phương pháp sử dụng cho quá trình tối ưu hóa - đảm bảo dòng chảy 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT DÒNG CHẢY ĐA PHA TRONG ĐƯỜNG ỐNG VẬN CHUYỂN 9

2.1 Phương pháp tính toán nhiệt đường ống vận chuyển dầu [1-3] 9

2.2 Phương pháp tính toán thủy lực đường ống vận chuyển dầu 11

2.2.1 Tính toán thủy lực đường ống vận chuyển chất lỏng Newton 11

2.2.2 Tính toán thủy lực đường ống vận chuyển chất lỏng phi Newton 16

2.2.3 Tính toán thủy lực cho hỗn hợp dầu khí 21

vi

2.3 Đặc tính lý hóa và tính chất lưu biến của dầu thô 29

2.3.1 Đặc tính lý hóa của dầu thô 29

2.3.2 Tính chất lưu biến của dầu 32

2.4 Những vấn đề nảy sinh khi lắng đọng paraffin/wax trong đường ống 35

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THỦY LỰC VÀ MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY TRONG ĐƯỜNG ỐNG VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ TỪ MỎ X TỚI GIÀN CPP MỎ Y BẰNG PHẦN MỀM PIPESIM 41

3.1 Tổng quan về mỏ X và đường ống kết nối đến giàn CPP mỏ Y 41

3.2 Tính toán nhiệt thủy lực đường ống dẫn dầu từ mỏ X tới giàn CPP mỏ Y 52

3.3 Tổng quan về phần mềm pipesim 59

3.3.1 Tầm quan trọng của phần mềm mô phỏng 59

3.3.2 Giới thiệu về phần mềm PipeSim 59

3.4 Các bước cơ bản sử dụng phần mềm pipesim 60

3.4.1 Các bước xây dựng mô hình bài toán vận chuyển dầu khí trong đường ống 61

3.4.2 Xây dựng mô hình chất lưu 62

3.4.3 Xác định chế độ dòng chảy của mô hình lưu chất sử dụng các quan hệ thực nghiệm 62 3.4.4 Chạy và xuất báo cáo 63

3.5 Áp dụng phần mềm pipesim vào tính toán đường ống vận chuyển dầu khí từ mỏ X tới giàn CPP mỏ Y 63

3.5.1 Tính toán nhiệt thủy lực đường ống dẫn dầu khí từ mỏ X tới giàn CPP mỏ Y 63 3.5.2 Phân tích độ nhạy của các thông số vận hành đầu vào 66

3.5.3 Giải pháp tối ưu cho tuyến ống nhằm tránh lắng đọng Wax trong đường ống từ mỏ X tới giàn CPP mỏ Y 75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

Phụ lục 01: Primary Output 81Phụ lục 02: Auxiliary Output 82

viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

CPP Central Processing Platform Giàn xử lý Công nghệ trung tâm FSO Floating Storage and Offloading Tàu chứa dầu

MSP Marine Stationary Platform Giàn cố định

WAT Wax Appearance Temperature Nhiệt độ bắt đầu xuất hiện

paraffin

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các đặc tính cơ bản của đường ống vận chuyển mỏ X – CPP mỏ Y 5

Bảng 3.1: Thành phần chất lưu mỏ X 43

Bảng 3.2 Các đặc tính kỹ thuật của đường ống ngầm khai thác 48

Bảng 3.3 Kết quả tính toán nhiệt độ tại các điểm đặc biệt trên tuyến ống 55

Bảng 3.4 Giá trị tổn hao áp suất dọc theo tuyến ống 57

Bảng 3.5 Kết quả tính toán áp suất tại các điểm đặc biệt trên tuyến ống 58

Bảng 3.6 Kết quả tính toán nhiệt độ đầu ra của tuyến ống 64

Bảng 3.7 Kết quả tính toán áp suất đầu ra của tuyến ống 65

Bảng 3.8 Kết quả tính toán nhiệt độ và phân tích nhiệt độ đầu vào tại mỏ X để xuất hiện Wax trong đường ống vận chuyển dầu khí 76

x

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 – Mục đích tối ưu hóa vận chuyển dầu khí trong đường ống [8] 2

Hình 1.2 – Các lớp bọc cách nhiệt đường ống vận chuyển mỏ X – CPP mỏ Y [18] 4

Hình 1.3 Thoi làm sạch đường ống [3] 7

Hình 2.1 Sự thay đổi nhiệt độ theo công thức Sokhov [1] 11

Hình 2.2 Đường cong chảy của chất lỏng Bingham và chất lỏng Newton [1] 17

Hình 2.3 Đặc tính chuyển động của chất lỏng Bingham trong ống (a), phân bố lực cắt (b) và tốc độ chuyển động (c) [1] 18

Hình 2.4 Các kiểu cấu trúc phụ thuộc vào tốc độ hỗn hợp và tỷ lệ khí [1] 22

Hình 2.5 Các mô hình chất lỏng Newton và phi Newton [1] 32

Hình 2.6 Cấu tạo paraffin [26] 35

Hình 2.7 Cơ chế khuếch tán phân tử [17] 38

Hình 2.8 Cơ chế khuếch tán tinh thể và phân tán trượt phân tử [17] 40

Hình 3.1 Sơ đồ vị trí mỏ X 42

Hình 3.2: Máy phân tích vi nhiệt (DSC) nghiên cứu điểm bắt đầu kết tinh của parafin và kết quả phân tích mẫu 45

Hình 3.3: Thiết bị Nghiên cứu điểm bắt đầu kết tinh của parafin bằng Kính hiển vi phân cực (CPM) và kết quả phân tích mẫu 46

Hình 3.4 Sơ đồ đường ống kết nối từ mỏ STT tới giàn CPP STV 47

Hình 3.5 Phương pháp luận nhằm đánh giá khả năng lắng đọng Wax trong đường ống 49

Hình 3.6 Sơ đồ tuyến ống từ mỏ X ra giàn CPP mỏ Y 52

Hình 3.7 Biểu đồ tính toán nhiệt độ tuyến ống từ mỏ X tới giàn CPP mỏ Y 55

Hình 3.9 Các bước cơ bản sử dụng phần mềm Pipesim 61

Hình 3.10 Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và chiều dài tuyến ống 64

Hình 3.11 Đồ thị quan hệ giữa áp suất và chiều dài tuyến ống 65

Hình 3.12 Biểu đồ biểu diễn quan hệ sự thay đổi nhiệt độ dọc theo tuyến ống khi lưu lượng thay đổi 67

Hình 3.13 Biểu đồ biểu diễn quan hệ sự thay đổi áp suất dọc theo tuyến ống khi lưu lượng thay đổi 67



v

Hình 3.14 Biểu đồ biểu diễn quan hệ sự thay đổi nhiệt độ dọc theo tuyến ống khi Wc thay đổi 68Hình 3.15 Biểu đồ biểu diễn quan hệ sự thay đổi áp suất dọc theo tuyến ống khi Wc thay đổi

69Hình 3.16 Biểu đồ biểu diễn quan hệ sự thay đổi nhiệt độ dọc theo tuyến ống khi Mass flow rate thay đổi 70

Hình 3.17 Biểu đồ biểu diễn quan hệ sự thay đổi áp suất dọc theo tuyến ống khi Mass flow rate thay đổi 71Hình 3.18 Biểu đồ biểu diễn quan hệ sự thay đổi nhiệt độ dọc theo tuyến ống khi P thay đổi

72

xii

MỞ ĐẦU

Dầu khí là nguồn năng lượng quan trọng để phát triển nền kinh tế Ngành công nghiệp dầu khí đóng góp hơn 25% tổng ngân sách nhà nước Nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ dầu khí ngày càng gia tăng của thị trường trong nước cũng như đảm bảo phát triển kinh

tế đất nước đòi hỏi phát triển nhanh và hiệu quả các mỏ dầu khí, đặc biệt là các mỏ có trữ lượng thu hồi nhỏ Việc nghiên cứu và đưa ra các phương án để phát triển các mỏ nhỏ tại Việt Nam có ý nghĩa quan trọng và cấp thiết trong giai đoạn hiện nay Một trong những những phương án tốt nhất được ứng dụng tại các công ty điều hành dầu khí là phương án phát triển kết nối Với phương án này, sản phẩm dầu khí sau khi được khai thác lên từ các giàn đầu giếng ở các mỏ nhỏ sẽ được vận chuyển thông qua hệ thống đường ống ngầm dưới biển đến hệ thống xử lý tại các giàn xử lý trung tâm hoặc các tàu xử lý và chứa FSO

Việc tối ưu hóa quá trình vận chuyển hỗn hợp dầu khí xuất phát từ nhu cầu dự án thực tiễn của Cửu Long JOC về đường ống kết nối dài 18782 m từ mỏ X đến giàn xử lý trung tâm mỏ Y Với một hệ thống đường ống dài như vậy, quá trình vận chuyển luôn gặp nhiều tiềm ẩn rủi ro cao như lắng đọng paraffin trong đường ống, sự hình thành các nút khí,

sự thay đổi điều kiện làm việc trong quá trình vận hành đường ống, Tác động của những việc này sẽ làm tắc nghẽn đường ống, gây cản trở sự di chuyển của chất lưu, tạo nên sự tích

áp và giảm năng suất vận chuyển trong ống … Cho nên, việc nghiên cứu, đề xuất các phương án công nghệ hợp lý và lập ra biện pháp kiểm soát thích hợp nhằm đảm bảo tính

ổn định của dòng chảy, hạn chế rủi ro trong quá trình vận hành đường ống là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu hiện nay Nhiều mỏ dầu ở vùng biển Việt Nam có đặc tính chung là: hàm lượng paraffin cao, nhiệt độ môi trường đáy biển thấp, hệ thống đường ống và các hệ thống kỹ thuật hỗ trợ quá trình vận chuyển dầu còn hạn chế về số lượng, mật độ, công nghệ và công suất dẫn đến nhiều vấn đề ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển của đường ống Chi phí khắc phục sự cố và thời gian gián đoạn sản xuất là vấn đề

hết sức cấp bách đối với các hệ thống ống dẫn hiện tại Chính vì vậy, đề tài luận văn “Tính toán đảm bảo dòng chảy cho đường ống vận chuyển dầu khí từ mỏ X đến giàn xử lý trung tâm mỏ Y” được nghiên cứu

- Nghiên cứu, mô phỏng dòng chảy trong đường ống vận chuyển dầu khí từ mỏ X tới giàn xử lý trung tâm mỏ Y

- Quản lý, giảm thiểu rủi ro trong qúa trình vận hành đường ống

- Lý thuyết dòng chảy đa pha trong đường ống

- Tìm hiểu các mô hình dòng chảy và cơ sở xây dựng mô hình dòng chảy trong đường ống vận chuyển dầu khí đa pha

- Thu thập dữ liệu về đường ống cũng như môi trường xung quanh tác động đến việc vận chuyển dầu khí bằng đường ống từ mỏ X đến giàn xử lý trung tâm mỏ Y

- Sử dụng phần mềm Pipesim để mô phỏng và phân tích các chế độ làm việc khác nhau trong đường ống vận chuyển dầu khí và đề xuất phương án giảm thiểu các rủi

ro trong quá trình vận chuyển dầu khí bằng đường ống từ mỏ X đến giàn xử lý trung tâm mỏ Y

Phương pháp phân tích và tổng hợp

Phương mô hình hóa

Phương pháp sơ đồ

Phương pháp phân tích và tổng hợp kinh nghiệm

Phương pháp giả thuyết (đề suất và kiểm chứng giả thuyết)

Lê Xuân Lân, Giáo trình thu gom xử lý dầu – khí – nước, Trường đại học Mỏ Địa chất Hà Nội, (2005)

xiv

Phùng Đình Thực, Xử lý và vận chuyển dầu mỏ, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh, (2001)

Nguyễn Thúc Kháng, Từ Thành Nghĩa, Tống Cảnh Sơn, Phan Bá Hiển, Phạm Thành Vinh,

Nguyễn Hoài Vũ, Công nghệ xử lý và vận chuyển dầu nhiều paraffin ở thềm lục địa nam Việt Nam, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, (2016)

Phùng Đình Thực, Tống Cảnh Sơn, "Phương pháp phân tích hệ động lực học trong đường ống ngầm vận chuyển dầu nhiều paraffin tại mỏ Bạch Hổ", Tuyển tập Hội

nghị Khoa học Công nghệ năm 2000 Ngành Dầu khí trước thềm thế kỷ 21, 2 (2000),

Đỗ Xuân Hòa, Tối ưu hóa quá trình vận chuyển dầu khí trong đường ống ngầm dưới biển từ mỏ cá ngừ vàng đến giàn xử lý trung tâm số 3 mỏ bạch hổ”, Luận văn tốt nghiệp Đại học Bách khoa Tp HCM, (2013)

A Singh, H Lee, P Singh and C Sarica, SS: “Flow Assurance: Validation of Wax

Deposition Models Using Field Data from a Subsea Pipeline”, OTC 21641, The Offshore Technology Conference, (2011)

E D Burger, T K Perkins and J H Striegler, “Studies of Wax Deposition in the Trans Alaska Pipeline”, Journal of Petroleum Technology 33(6) (1981), 1075-

M Siljuberg, Modelling of Paraffin Wax in Oil Pipelines, Master thesis, Nor-wegian

University of Science and Technology, (2012)

Nguyen Thuc Khang, Ha Van Bich, Tong Canh Son, Le Dinh Hoe, JV Vietsovpetro; Phung Dinh Thuc, PVEP Vietnam, “Anew Approach for Regime Optimization of

Oil and Gas Mixture Pipeline Transpotation”, SPE 88596, Society of Petroleum Engineers, (2004)

R Venkatesan and J Creek, Wax Deposition and Rheology: Progress and Problems From

an Operator’s View, OTC 20668, Offshore Conference (2010)

Z Huang, Application of the Fundamentals of Heat and Mass Transfer to the Investigation of Wax Deposition in Subsea Pipelines, PhD Thesis, the University of

Michigan, (2011)

Trên thế giới, một số công trình đã nghiên cứu về việc tối ưu hóa vận chuyển hỗn hợp dầu khí đa pha trong hệ thống đường ống kết nối dựa trên các vấn đề xảy ra trong thực

tế Bài báo Leksono Mucharam, Septoratno Siregar, Darmadi, Musyoffi Yahya, Achirul Akbar, “Optimization of parafinic oil transmission pipeline network design: simulation approach” 2008, dựa trên các phương trình bảo toàn năng lượng và phương pháp Newton-Raphson kết hợp với việc phân tích, đánh giá chế độ dòng chảy và các thành phần, tính chất của chất lưu vận chuyển trong đường ống, tác giả đã xây dựng thành công mô hình dự báo được quá trình tổn thất áp suất và nhiệt độ của chất lưu trong suốt quá trình vận chuyển

Mô hình này đã được ứng dụng trong nhiều bài toán tối ưu hóa vận chuyển hỗn hợp dầu khí đa pha, đặc biệt là dầu chứa nhiều hàm lượng paraffin

Bài báo Jinya Zhang; Hongwu Zhu; Yan Li; Chun Yang, “Multi-Objective Optimization of the Gathering and Transferring of Oil-Gas Pipe Network Based on the Genetic Algorithm” 2009 dựa trên thuật toán mã hóa số liệu và lấy mẫu ngẫu nhiên, tác giả

đã xây dựng lên hàm đa mục tiêu cho bài toán tối ưu hóa quá trình vận chuyển hỗn hợp dầu khí đa pha trong hệ thống đường ống vận chuyển Thông qua phương pháp này, các yếu tố

về kinh tế cũng như hoạt động của chất lưu trong đường ống (chế độ thủy lực, nhiệt động…) được cải thiện khá hiệu quả và giảm thiểu được nhiều rủi ro trong suốt quá trình vận hành

Trong luận văn tiến sĩ Conrado Borraz-S´anchez “Optimization Methods for Pipeline Transportation of Natural Gas” Dissertation for the degree of Philosophia Doctor (PhD) Department of Informatics University of Bergen, Norway October 2010 tác giả cũng

xvi

đã đưa ra các lý thuyết về khai thác và vận chuyển khí tự nhiên bằng đường ống Ở đây để tối ưu hóa quá trình vận chuyển khí tự nhiên bằng đường ống thì tác giả đã thực hiện theo các bước sau:

 Hiểu rõ các vấn đề gặp phải khi vận chuyển dầu khí bằng đường ống

 Thu thập và phân tích các số liệu

 Phát triển và đánh giá một số mô hình toán học

 Thiết kế các học thuật giải bài toán tối ưu

 Giải thích và xác nhận kết quả

 Bổ sung các hành động nâng cao tính hiệu quả

Để giải quyết các bài toán trên thì tác giả đã sử dụng các phương pháp: mô hình toán học được nhắc đến bằng cách xem xét 2 khía cạnh chính: các đặc tính của các thành phần chính, không gian tìm kiếm (khu vực có tính khả thi) mối liên quan giữa các đại lượng trường hợp này bằng phương pháp lập trình tuyến tính Sau đó phương pháp lập trình tuyến tính này được phát triển thành phương pháp đơn hình bởi George B Dantzig vào năm 1947 Sau dó tác giả đưa ra các giải pháp cho hệ thống đường ống dẫn khí bao gồm: mô hình số, tối ưu toán học, giải pháp phân tích và tính toán, phương pháp phỏng đoán và tiệm cận ngoại suy, các ngôn ngữ lập trình và công cụ tối ưu hóa Nhưng trong toàn bộ luận văn tác giả chỉ đưa ra các phương pháp tổng quát chưa đưa ra điều kiện cụ thể cho từng loại đường ống và từng điều kiện cụ thể của từng mỏ và với các điều kiện biên của đường ống

Tại Việt Nam, một số công trình đã nghiên cứu các giải pháp cho việc tối ưu hóa và đảm bảo chế độ dòng chảy trong đường ống vận chuyển hỗn hợp dầu khí Trong bài báo của Nguyen Thuc Khang, Ha Van Bich, Tong Canh Son, Le Dinh Hoe, JV Vietsovpetro; Phung Dinh Thuc, “A New Approach for Regime Optimization of Oil and Gas Mixture Pipeline Transportation” PVEP Vietnam, 2004), các tác giả đã xây dựng một phương pháp khá hiệu quả cho việc quản lý chế độ dòng chảy đa pha trong hệ thống đường ống vận

chuyển bằng phương pháp thống kê dựa trên dữ liệu thực tế để phân tích sự dao động áp suất và xác định các thông số tức thời

Bên cạnh đó, một số công trình đã và đang được nghiên cứu về việc đảm bảo dòng chảy trong đường ống vận chuyển ở các công ty điều hành dầu khí như Hoàn Vũ JOC kết hợp với Vietsovpetro liên quan đến đường ống kết nối từ mỏ Cá Ngừ Vàng về giàn xử lý trung tâm CPP-3 của mỏ Bạch Hổ, Hoàng Long JOC kết hợp với Thăng Long JOC liên quan đến dự án kết nối đường ống từ HST/HSD về giàn TGT-H1 của mỏ Tê Giác Trắng

Trong luận văn tốt nghiệp đại học của Đỗ Xuân Hòa “Tối ưu hóa quá trình vận chuyển hỗn hợp dầu khí bằng đường ống ngầm dưới biển từ mỏ Cá ngừ vàng đến giàn xử

lý trong tâm số 3 của mỏ Bạch hổ” ĐHBK Tp HCM thì tác giả sử dụng phầm mềm OLGA

để giải quyết vấn đề tối ưu hóa dòng chảy 2 pha dầu khí trong đường ống chưa giải quyết bài toán dòng chảy 3 pha trong đường ống dẫn khí dưới đáy biến

Chính vì vậy đề tài của tôi có thể áp dụng các giải pháp ở trên và ứng dụng một phần mềm cụ thể là pipesim để giải quyết bài toán cụ thể ở đây là tìm ra các thông số làm việc tối ưu cho đường ống dẫn dầu khí với các điều kiện cụ thể tại mỏ Sư tử trắng và với điều kiện môi trường khí hậu của vùng biển block 15.1, đồng thời giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành đường ống

- Từ kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần làm cơ sở lý luận và thực tiễn để nghiên cứu phát triển mô hình tối ưu đường ống vận chuyển dầu khí trên các vùng biển của Việt Nam

- Là cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu phát triển mạng lưới đường ống kết nối vận chuyển nội mỏ và vận chuyển dầu khí từ các mỏ ngoài khơi về đất liền

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ BẰNG

ĐƯỜNG ỐNG

Trên thực tế, việc phát triển các mỏ nhỏ là một bài toán khó khăn do có nhiều rủi ro, chi phí đầu tư và vận hành tính trên mỗi đơn vị thu hồi lớn Vì vậy, để phát triển các mỏ nhỏ, việc lựa chọn và áp dụng phương án công nghệ mới thích hợp trong lĩnh vực vận chuyển là ưu tiên hàng đầu Trong đó, phương án phát triển kết nối bằng đường ống được đánh giá cao về hiệu quả kinh tế đạt được Với phương án này, các hệ thống thiết bị xử lý

và cơ sở hạ tầng sẵn có ở các mỏ lân cận được tận dụng khá hiệu quả cho việc phát triển các mỏ mới

Đã có một số dự án phát triển theo phương án này như mỏ Cá Ngừ Vàng (lô 09.2, Hoàn Vũ JOC), mỏ Nam Rồng – Đồi Mồi (lô 09.3, công ty VRJ) và Phương Đông (Lô 15.1, JVPC) Mỏ Cá Ngừ Vàng và Nam Rồng – Đồi Mồi được nối về hệ thống thiết bị tại

mỏ Bạch Hổ (Vietsovpetro), mỏ Phương Đông được kết nối vào hệ thống thiết bị của mỏ Rạng Đông

Việc chia sẻ thiết bị thu gom, khai thác, xử lý và vận hành chung giữa các mỏ lân cận giúp giảm thiểu hàng trăm triệu USD chi phí đầu tư và phát triển khai thác Nhưng bên cạnh đó, các rủi ro luôn tồn tại đối với hệ thống đường ống kết nối khá dài giữa các mỏ với nhau như lắng đọng paraffin (Wax) gây tắc nghẽn, ngưng hoạt động hệ thống đường ống kết nối CNV-CPP3 (2008), sự hình thành các nút khí tác động xấu đến đường ống (sự tích

áp trong đường ống gây nguy cơ nổ ống) và khả năng tiếp nhận của hệ thống bình tách sơ cấp (quá trình biến đổi đột ngột lượng chất lỏng trước khi vào bình tách) Trước tình hình thực tế này, việc khảo sát bài toán tối ưu hóa vận chuyển nhằm đảm bảo dòng chảy trong đường ống luôn hoạt động ở trạng thái tốt nhất là rất cần thiết Cụ thể, công ty điều hành chung dầu khí Cửu Long JOC đã và đang nghiên cứu việc xử lý hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc cho Wax ở mỏ X, việc phóng thoi định kỳ nạo vét đường ống để loại bỏ Wax lắng

Hình 1.1 – Mục đích tối ưu hóa vận chuyển dầu khí trong đường ống [8]

Tối ưu hóa – đảm bảo dòng chảy trong

1.3 Phương pháp tối ưu hóa - đảm bảo dòng chảy

Quá trình vận chuyển dầu khí trong đường ống chịu sự tác động bởi khá nhiều yếu

tố từ bên trong lẫn bên ngoài đường ống Vì vậy, để tìm ra phương pháp tối ưu hiệu quả hoạt động vận chuyển trong đường ống, mục tiêu tối ưu và các thông số kiểm soát quá trình tối ưu cần phải được xác định rõ Sau đó, các phương pháp tối ưu sẽ được xây dựng dựa trên các mục tiêu và tình hình hoạt động thực tế của đường ống vận chuyển dầu khí

1.3.1 Mục tiêu tối ưu hóa - đảm bảo dòng chảy

- Đảm bảo dòng chảy hoạt động ổn định trong đường ống vận chuyển, giảm thiểu rủi

ro, tối thiểu hóa chi phí vận hành

- Sử dụng hợp lý các điều kiện trang thiết bị, kinh tế kỹ thuật hiện có của công ty nhằm làm tăng tối đa lợi nhuận của công ty khi khai thác mỏ

1.3.2 Các thông số vận hành và kiểm soát quá trình tối ưu hóa - đảm bảo dòng chảy

Quá trình đảm bảo dòng chảy này liên quan đến nhiều yếu tố về điều kiện vận hành như lưu lượng, áp suất, nhiệt độ, lượng hóa phẩm sử dụng để giảm nhiệt độ đông đặc và độ nhớt của chất lưu

1.3.3 Các phương pháp sử dụng cho quá trình tối ưu hóa - đảm bảo dòng chảy

Một trong những nhiệm vụ quan trọng trong quá trình vận chuyển dầu khí bằng đường ống là cải thiện các chế độ thủy lực dựa vào việc dự báo về các điều kiện nhiệt động lực học của chất lưu vận chuyển trong ống Để thực hiện được điều này, nhiều phương pháp

sử dụng cho quá trình tối ưu đã được nghiên cứu và ứng dụng như tăng áp suất vận chuyển, gia nhiệt và cách nhiệt dọc đường ống, xử lý dầu bằng hóa phẩm, các phương pháp cơ học khử các lớp lắng đọng trong đường ống như phóng thoi nạo vét ống, bơm dầu nóng, dùng nước nóng v.v… Nhưng trước khi các phương pháp này được đưa vào sử dụng, việc xem xét tình hình về điều kiện thực tế và lợi ích kinh tế phải được xem xét và kiểm tra thật kỹ lưỡng đối với các yêu cầu đặt ra cho mục tiêu tối ưu

Trang 4

Hiện nay, dựa trên tình hình thực tế đường ống kết nối từ mỏ STT đến giàn CPP mỏ STV một số phương pháp được sử dụng để giải quyết bài toán tối ưu hóa bao gồm cách nhiệt dọc đường ống, xử lý dầu bằng hóa phẩm, phóng thoi nạo vét đường ống

a Bọc cách nhiệt dọc đường ống

Nhiệt độ dòng dầu thô có thể được duy trì và giảm thiểu sự tổn thất bằng các lớp bọc cách nhiệt, hình 1.2 & bảng 1.1 Với hệ số truyền nhiệt 1.913 W/m2K cho toàn bộ tuyến ống, các lớp bọc cách nhiệt được thiết kế sao cho nhiệt độ của hỗn hợp dầu khí nằm trên nhiệt độ hình thành tinh thể Wax (Wax Appearance Temperature/WAT)

Hình 1.2 – Các lớp bọc cách nhiệt đường ống vận chuyển mỏ X – CPP mỏ Y [18]

Bảng 1.1 Các đặc tính cơ bản của đường ống vận chuyển mỏ X – CPP mỏ Y

Trang 6

b Xử lý dầu bằng hóa phẩm

Sử dụng hóa phẩm làm giảm nhiệt độ đông đặc Wax (Wax Appearance Temperature/WAT) là phương pháp có nhiều triển vọng trong xử lý dầu nhiều Wax để vận chuyển bằng đường ống

Ở nhiệt độ cao hóa phẩm cho vào dầu sẽ không làm thay đổi độ nhớt của dầu Ảnh hưởng của hóa phẩm chỉ nhận thấy ở nhiệt độ thấp, khi mà trong dầu diễn ra sự hình thành cấu trúc các tinh thể Wax Hiện nay, chưa có quan điểm thống nhất về cơ chế hoạt động của những hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc Tuy nhiên, đa số các nhà nghiên cứu đều nhận thấy

sự hoạt động lưỡng tính của chúng: thứ nhất, những phần tử hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc cùng với Wax tạo ra những tinh thể hỗn hợp, điều này dẫn đến cấu tạo của chúng thay đổi và ngăn chặn sự hình thành mạng lưới cấu trúc liên tục; thứ hai, những phần tử hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc đóng vai trò như những trung tâm mà xung quanh chúng Wax bị tinh thể hóa tạo nên những hợp thể không liên kết được với nhau

Tính hiệu quả sử dụng hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc phụ thuộc vào bản chất hóa học của dầu Không có loại hóa phẩm chung cho tất cả các loại dầu Thực tế quan sát đã cho thấy những tính chất lưu biến của dầu mỏ STT đã được cải thiện đáng kể khi chúng được xử

lý bằng hóa phẩm làm giảm nhiệt độ đông đặc Khả năng giảm nhiệt độ đông đặc đối với Wax tại mỏ STT ở khoảng 10 – 150C

c Phóng thoi nạo vét đường ống (Pigging)

Trong quá trình xây dựng đường ống thường xảy ra các hiện tượng sau:

- Đường ống bị móp trong quá trình lắp đặt ống

- Có thể có nhiều di vật sót lại trong lòng ống như đầu que hàn, các dụng cụ làm việc, các phế phẩm của vật liệu xây dựng v.v…

Khi vận chuyển hỗn hợp dầu ra tàu chứa hoặc giàn công nghệ trung tâm thường xảy

ra các hiện tượng như:

- Paraffin kết tủa trên thành ống làm cho lòng ống bị thu hẹp dần và dẫn đến giảm năng lực vận chuyển của ống, gây ra tổn thất lớn về năng lượng trong quá trình vận chuyển

- Nếu chế độ dòng chảy của đường ống ở vào chế độ chảy tầng trong quá trình vận chuyển dầu và nước thì sẽ xảy ra hiện tượng ăn mòn đường ống khá mạnh ở phần dưới vì trong nước hàm lượng muối khá cao (tương ứng với nước biển)

- Trong quá trình vận hành đường ống có thể bị các khuyết tật do các tác động của môi trường (sự thay đổi nhiệt độ, sự tác động của sóng – dòng chảy hoặc địa hình đáy biển thay đổi) hoặc do tác động của ngoại vật như neo tàu…

- Thoi thông minh: dùng để phát hiện những khuyết tật trong lòng ống nhằm đảm bảo

an toàn cho đường ống

- Thoi đo độ Ovan của lòng ống: dùng để phát hiện khi ống bị móp quá mức độ cho phép

Thực tế cho thấy quá trình vận chuyển dầu, khí mỏ X bị ảnh hưởng bởi khá nhiều yếu

tố như sự tổn hao nhiệt trong hệ thống đường ống vận chuyển dài, thành phần chất lưu phức tạp, nhiệt độ hình thành và đông đặc Wax khá cao v.v… gây ra nhiều khó khăn trong công tác xử lý và vận chuyển dầu khí Khi các biện pháp phòng chống lắng đọng Wax trong đường

di chuyển Hoạt động phun này rất quan trọng, nó cũng giúp cho quá trình cắt các lớp cặn sáp trên đường ống, làm cho các lớp lắng đọng trên đường ống bị mềm, lỏng lẽo, trước khi con thoi đi qua

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT DÒNG CHẢY ĐA PHA TRONG

ĐƯỜNG ỐNG VẬN CHUYỂN

Khi vận chuyển trong đường ống, nhiệt độ của chất lưu được truyền qua ống ra môi trường nên nhiệt độ chất lưu sẽ giảm dần theo khoảng cách Với dầu, khi nhiệt độ giảm, độ nhớt sẽ tăng, dẫn đến tổn hao ma sát lớn và làm tăng công suất vận chuyển, nếu dầu có nhiều nhựa và paraffin có thể xảy ra sự đông đặc gây tắc nghẽn và có thể dẫn tới phá hủy đường ống

Việc tính toán nhiệt là xác định sự thay đổi nhiệt độ dọc tuyến ống để xác định vị trí

có thể xảy ra hiện tượng nhiệt độ chất lỏng vượt giới hạn thiết kế Từ đó ta có các giải pháp phù hợp:

 Ngăn cản, giảm thiểu sự truyền nhiệt ra môi trường xung quanh, tức là ta đi thực hiện việc giải quyết vấn đề bảo ôn cho tuyến ống

 Nâng nhiệt độ chất chuyền tải đến giá trị an toàn, tức là bổ sung nhiệt cho chất chuyền tải, thực chất là chọn vị trí và công suất của các trạm gia nhiệt

 Dùng các giải pháp vật lý và hóa học để hạ thấp hoặc ngăn chặn sự đông đặc của chất lỏng

Viện sĩ Sokhov (Liên bang Nga) là một trong những người đầu tiên nghiên cứu về quy luật thay đổi nhiệt độ theo đường ống Trên tuyến ống tại khoảng cách x, ta khảo sát một phân tố dx (hình 2.1) và xác định sự cân bằng nhiệt trong phân tố Tổn hao nhiệt của phân tố trong một đơn vị thời gian vào môi trường chung quanh là [1-3]:

Trong đó:

t: nhiệt độ của chất lưu tại phân tố, oC;

to: nhiệt độ môi trường, oC;

π.De.dx: bề mặt của phân tố bị làm lạnh, m2; K: hệ số truyền nhiệt từ chất lỏng ra môi trường, W/m2 oC

Cp: tỷ nhiệt dung (nhiệt dung riêng), J/Kg oC;

Dấu (–) biểu thị nhiệt độ giảm theo chiều dài

Ở chế độ chảy ổn định, nhiệt lượng mất đi chính là được truyền vào môi trường, do đó:

K D

.

.



Phương trình trở thành:

Giả sử chiều dài tuyến ống là L, nhiệt độ đầu tuyến ống là t1, nhiệt độ cuối tuyến ống

là t2, ta có phương trình (2-4) ở dạng tích phân sau:

dt

0 2

1

(2-5)

L a o o o

o

e t t

t t L a t t

t

1 2 1

Hình 2.1 Sự thay đổi nhiệt độ theo công thức Sokhov [1]

Nhiệm vụ tính toán thủy lực chiếm khối lượng lớn khi thiết kế các tuyến ống mới cũng như khi kiểm tra, vận hành, bảo dưỡng các tuyến ống sẵn có phù hợp với yêu cầu cụ thể Nhiệm vụ của tính toán là phải xác định một trong các thông số: khả năng vận chuyển

Q, áp suất đầu hoặc cuối tuyến P, đường kính D Hoặc cả hai thông số P và D Quan hệ giữa P và D, P = f(Q) được gọi là đặc tính của tuyến ống Các kết quả tính toán phụ thuộc vào sơ đồ thủy lực, tính chất vật lý của chất được chuyển tải

Căn cứ vào tính chất chất lưu, người ta chia ra:

- Chất lỏng một pha (Newton, phi Newton)

- Hỗn hợp dầu khí

2.2.1 Tính toán thủy lực đường ống vận chuyển chất lỏng Newton

Để tính toán thủy lực đường ống, cần sử dụng phương trình Bernouli [1, 3]:

Trang 12

m s

h g

v g

P Z g

v g

2 2 2 2 2

2 1 1 1

: tỷ động năng của chất lỏng, cột áp động học hoặc cột áp tốc độ;

 : hệ số coriolit, kể đến sự phân bố vận tốc; khi chảy rối chấp nhận  1, khi chảy tầng  2

Đối với chất lỏng thực, có tính chất nhớt thì tổn hao dọc đường hms bao giờ cũng tồn tại và được gọi là cột áp ma sát tính theo công thức Dacry – Weisback [1, 3]:

2

2 2

v D

l g g

v D

l h

 : tổn hao áp suất do ma sát, Pa;

l: chiều dài tuyến ống, m;

D: đường kính ống, m;

v: vận tốc chất lỏng, m/s;

g: gia tốc rơi tự do, m/s2;

 : khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3;

: Hệ số sức kháng thủy lực phụ thuộc chế độ chuyển động (số Reynolds Re) và độ nhám tương đối của vách ống 

Với:

e: độ nhám tuyệt đối, cm;

Di: đường kính trong của ống, cm

Chế độ chuyển động của chất lỏng phụ thuộc theo số Reynolds, xác định theo công thức:

i e

D

Q D

Q D

64

(2-12)

Ở chế độ chảy rối, khi Re > 2320, giá trị  được tính toán theo công thức thực

nghiệm, tùy theo ba vùng thủy lực

5 , 59

Trang 14

8

5,59

 < Re < 

lg765

,3lg8,1

Re

6811

7,3lg.21

i

Công thức (2-18) có độ chính xác cao và tương đương đối phổ biến song việc vận dụng khó khăn vì  có măt ở hai vế, phải tiến hành tính gần đúng theo phương pháp thử

lặp Công thức (2-17) dễ tính toán hơn và sai số không đáng kể

 Vùng thủy lực nhám (ma sát bình phương):

 chỉ phụ thuộc vào  chứ không phụ thuộc vào chế độ chảy Re, thường gọi là vùng tự chỉnh, với mỗi giá trị độ nhám chỉ có một giá trị  Vùng này rất ít gặp trong công nghiệp dầu, trừ khi lúc gặp sự cố hoặc ở giếng khoan hở Giá trị  thường xác định theo công thức Nicurat [1, 3]:

2

)lg274,1

Để xác định tổn hao ma sát, ngoài công thức (2-9) còn sử dụng công thức tổng quát,

do Laybenzon xây dựng trên cơ sở thay v = 4Q/ 2

.D

 vào công thức (2-9) và vận dụng thêm công thức (2-11) để có:

l D

v Q D

g

l v Q h

P

m

m m m

m m

D

v Q g

v D l

g

v

h cb

2

l

h cb

2

2 lt

Với các tuyến ống có độ dốc địa hình và tổn hao cục bộ thì tổng tổn hao sẽ là:

cb m

m m cb

z

D

v Q P

P P

P      

5

2 )

v D

2

1

2





2.2.2 Tính toán thủy lực đường ống vận chuyển chất lỏng phi Newton

a) Đường cong chảy của chất lỏng Bingham-Svedop

Dòng chảy của chất lỏng ở hai chế độ chảy tầng và chảy rối; chảy tầng xảy ra ở tốc

độ thấp, các hạt chuyển động theo đường thẳng với tốc độ khác nhau, trên thành ống tốc độ bằng không, tốc độ cực đại đạt được tại điểm giữa ống Tốc độ điểm bất kỳ xa thành ống

tỷ lệ thuận với lưu lượng và tỷ lệ nghịch với độ nhớt Khi vượt một giá trị nào đó sẽ có giá trị chảy rối, lúc đó các hạt trong ống không chuyển động theo đường thẳng Trên thành tồn tại một lớp rất mỏng không chảy (Hình 2.2), ở các phần còn lại trên tiết diện có tốc độ như nhau Với chất lỏng Bingham, cần có một tới hạn lực cắt 𝜏𝑇 thì mới bắt đầu có dòng chảy Giá trị của lực cắt 𝜏𝑇 gọi là giới hạn chảy thực Sau khi vượt qua 𝜏𝑇 sẽ bắt đầu giai đoạn 2, ứng lực đủ để đẩy chất lỏng di chuyển như một nút chất rắn, nút được bôi trơn bởi một màng mỏng chất lỏng gần thành ống, đường cong này tiếp tục cho tới 𝜏𝑐1và là một đường thẳng Sau đó theo mức độ tăng dần của ứng lực và tốc độ, đường kính của nút sẽ giảm dần Khi đạt tới giới hạn tA, chế độ chảy dòng sẽ bắt đầu và sẽ bắt đầu tiếp tục cho đến giới hạn

𝜏𝑐2 thì chuyển qua chảy rối

Nếu kéo dài đoạn thẳng 𝜏𝐴− 𝜏𝑐2 thì giao điểm với trục tung là giá trị 𝜏0 gọi là giới hạn chảy Bingham, là giá trị dùng để tính toán lưu lượng hoặc giảm áp suất cho chất lỏng Bingham Và theo Bingham, giá trị 𝜏0 = 4/3𝜏𝑐1

Giai đoạn chảy chuyển tiếp từ nút sang dòng, trong ống tồn tại một phần chuyển động nút như một chất rắn ở phần giữa ống và một phần chuyển động như một chất lỏng

có phân lớp Trong phần chảy nút, tốc độ không đổi của các phần tử phụ thuộc vào giảm

áp ∆P (Hình 2.3) tác dụng lên tiết diện Sự tồn tại và kích thước tiết diện này phụ thuộc vào tốc độ chuyển động, khi tốc độ tăng thì bán kính tiết diện giảm

Vì vậy đến giá trị giới hạn tốc độ tương ứng 𝜏𝐴 thì nhân nút sẽ biến mất, và chế độ chảy dòng bắt đầu, độ nhớt là một giá trị hằng số, chất lỏng Bingham trở thành chất lỏng Newton Vì vậy tốc độ tuyệt đối v của chất lỏng giữa nút và thành ống giảm

Hình 2.2 Đường cong chảy của chất lỏng Bingham và chất lỏng Newton [1]

1: không chảy khi  T ; 2: chảy nút khi T  cl ; 3: chảy chuyển nối tiếp nút – dòng cl  A ; 4: chảy dòng a   2;

5: Chảy rối   2 b) Tính toán thủy lực cho chất lỏng Bingham [1]

Ta giả thiết tiết diện chảy nút có bán kính ro, điều kiện để xác định nó tại một thời điểm nào đó là sự cân bằng giữa lực đặt lên đầu tiết diện r2 P và lực ma sát xuất hiện