Xây dựng chương trình tính toán dòng chảy dầu khí

Các kết quả tính toán các tham số dòng chảy và bề dày lắng đọngparaffin thu nhận được phù hợp tốt về mặt định tính với thực tế giếng khai thác dầu khí và đã đượcso sánh với kết quả tính

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Hệ phương trình thu nhận được đã được rời rạc hóa và giải số sử dụng phương pháp sai phânRunge-Kutta bậc 4 Chương trình tính toán cho hệ phương trình rời rạc hóa được xây dựng trên

ngôn ngữ lập trình Fortran Các tính toán sử dụng chương trình này đã được thực hiện cho một môhình giếng khai thác dầu khí Các kết quả tính toán các tham số dòng chảy và bề dày lắng đọngparaffin thu nhận được phù hợp tốt về mặt định tính với thực tế giếng khai thác dầu khí và đã được

so sánh với kết quả tính toán của một nhóm nghiên cứu khác đã công bố quốc tế So sánh cho thấycác kết quả thu nhận được sử dụng chương trình đã được phát triển trong nghiên cứu này phù hợptốt với kết quả của thế giới đã công bố Chương trình tính toán có khả năng áp dụng tốt vào thực tế

và có triển vọng tiếp tục hoàn thiện, nâng cấp tính toán cho các trường hợp tổng quát hơn với cácgiếng khai thác dầu khí trong điều kiện không dừng hay với các hệ thống đường ống vận chuyển dầukhí nằm ngang

Đồng thời cũng cần chú ý rằng, dưới các điều kiện bên ngoài cố định, các hiện tượng không dừng,xảy ra trong một giếng khai thác khi có các sự kiện như khởi động hay chuyển đổi chế độ làm việc,chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian tương đối ngắn Do vậy các chế độ hoạt động thủy động lựchọc và nhiệt của một giếng khai thác dầu - khí có thể được xem như là các chế độ tựa dừng, vàngười ta có thể giả thiết rằng nhiệt độ tại mỗi điểm dọc theo trục thân giếng là giống nhau cho cácpha (ở đây là pha lỏng và pha khí)

Việc nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và trao đổi khối lượng tựa dừng trong các giếng khai thác chophép đánh giá ảnh hưởng của các hiệu ứng nhiệt thủy động lực học khác nhau tới các tham số quantrọng như nhiệt độ, áp suất tại mọi điểm phân bố dọc theo trục thân giếng Bằng cách đó, việc phântích và nghiên cứu các quá trình tựa dừng trong giếng khai thác không chỉ có ý nghĩa ứng dụng màđồng thời còn có cả ý nghĩa về mặt lý thuyết

I Mở đầu

Trên thế giới nhiều mỏ dầu - khí được đặc trưng bởi nồng độ cao các hydrocacbon nặng (hay còn gọi

là paraffin) Chuyển động của các loại dầu thô có tính chất như vậy từ các giếng dầu lên đến các hệthống chứa trở nên phức tạp do thường có sự hình thành lắng đọng paraffin trong các ống dẫn Cáckết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự lắng đọng paraffin trong các giếng dầu là một hiện tượng có liênquan của các quá trình hóa - lý và tự nhiên phức tạp xảy ra trong dầu thô trong quá trình nó được đẩylên mặt đất Về rất nhiều khía cạnh, sự đúng đắn của các phương pháp hiện tại và các phương phápmới đang được phát triển nghiên cứu sự lắng đọng paraffin phụ thuộc vào nghiên cứu chi tiết quátrình mất mát paraffin Quá trình này liên quan chặt chẽ đến các quá trình khác xảy ra bên trong vàxung quanh giếng dầu Một nghiên cứu có các liên đới rộng như vậy có thể chỉ được thực hiện thôngqua các mô hình toán học trong đó sự liên đới chặt chẽ đó thể hiện trong dòng chảy khí - lỏng tronggiếng, trao đổi nhiệt của giếng với môi trường đá xung quanh, và sự lắng đọng của pha rắn (paraffin)trên thành bên trong của ống dẫn dầu lên (hay còn được gọi là ống hay cần nâng) ([1], [2] - [5]).Tìm hiểu các nghiên cứu đã công bố về dòng chảy nhiều pha cho thấy chuyển động của dòng chảyhỗn hợp hai pha lỏng - khí là vấn đề hết sức phức tạp và hiện tại vẫn còn đang tiếp tục được nghiêncứu Trong đó chuyển động của dòng chảy hai pha lỏng - khí có xét đến quá trình kết tinh, lắng đọngparaffin và trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài như đã nói có tính phức tạp đặc biệt Tính đa dạngtrong cấu trúc dòng chảy, sự biến đổi của các pha thành phần, các hiện tượng phức tạp của thủyđộng lực học… đã làm cho mô hình bài toán trở nên cồng kềnh với nhiều tham số ràng buộc lẫn nhau

và làm cho bài toán khó giải

Trong quá trình chuyển động của dòng chảy hỗn hợp hai pha lỏng - khí dọc theo ống (trong côngnghệ khai thác và vận chuyển dầu khí, đó có thể là ống khai thác hoặc ống vận chuyển) áp suất và

nhiệt độ của hỗn hợp bị mất mát, hao tán và giảm dần dẫn đến sự hình thành pha rắn (paraffin) ởmặt trong của ống và pha khí do quá trình tách khí và bay hơi Sự hình thành và biến đổi của lượngparaffin bám trên thành ống cùng với quá trình tách khí đã làm cho các đặc trưng và cấu trúc củadòng chảy thay đổi theo.

Nghiên cứu chuyển động của dòng chảy hai pha lỏng - khí là bài toán phổ biến trong nhiều lĩnh vực

và có nhiều ứng dụng quan trọng, đặc biệt là trong công nghiệp khai thác và vận chuyển dầu khí Bàibáo trình bày tóm tắt hệ phương trình của dòng chảy hai pha lỏng - khí trong ống đứng có xét đến sựkết tinh và lắng đọng paraffin trên thành ống Một số kết quả mô phỏng, tính toán, so sánh và phântích bước đầu đã được thực hiện Trên cơ sở đó định hướng cho các nghiên cứu và ứng dụng tiếptheo cũng đã được đề ra

Nội dung của bài báo này gồm các phần sau:

Phần cuối là danh mục Tài liệu tham khảo và Danh mục các ký hiệu

II Mô hình toán học dòng hai pha trong giếng dầu - khí có xét đến kết tinh và lắng đọng paraffin

Các quá trình (cơ học, hóa học, vật lý ) xảy ra trong dòng chảy dầu - khí trong các giếng khai thácdầu đang hoạt động là hết sức phức tạp, có nhiều dạng khác nhau và biến đổi liên tục Vì vậy đểnghiên cứu các quá trình đó điều đầu tiên là người ta phải phát triển các phương trình cân bằng phụthuộc vào nhiều giả thiết đơn giản hóa khác nhau cho mỗi trường hợp quá trình riêng biệt được xétđến Các phương trình cuối cùng, được sử dụng để xây dựng các mô hình toán học tương ứng, cầnphải được xác định hay định nghĩa theo các đặc trưng của quá trình đang được nghiên cứu [1], [7].Trong quá trình chuyển động của dòng lỏng - khí trong giếng khai thác, kích thước đặc trưng của cáchạt hay phần tử (như bọt khí, hạt rắn trong chất lưu hay dầu) thường nhỏ hơn rất nhiều lần kíchthước đường kính ống nâng và các kích thước vĩ mô khác của dòng chảy được nghiên cứu Vì thế,thể tích vĩ mô cơ sở hay còn gọi là các control volume có thể được lựa chọn đủ lớn để chứa đượccác phần tử của cả hai pha trong đó Điều đó cho phép người ta có thể mô tả một hỗn hợp lỏng - khínhư là một tổng thể hai môi trường liên tục lấp đầy cùng một thể tích cơ sở được nghiên cứu Tại mỗiđiểm trong thể tích này, ta có thể sử dụng các đại lượng vĩ mô của các pha như: vận tốc pha, áp suấtpha, mật độ khối lượng của các pha, tỷ phần thể tích khí, và có thể áp dụng các phương pháp thôngthường tính toán vi phân, tích phân cho mô tả toán học các hệ hỗn hợp

Đồng thời cũng cần chú ý rằng, dưới các điều kiện bên ngoài cố định, các hiện tượng không dừng,xảy ra trong một giếng khai thác khi có các sự kiện như khởi động hay chuyển đổi chế độ làm việc,chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian tương đối ngắn Do vậy các chế độ hoạt động thủy động lựchọc và nhiệt của một giếng khai thác dầu - khí có thể được xem như là các chế độ tựa dừng, vàngười ta có thể giả thiết rằng nhiệt độ tại mỗi điểm dọc theo trục thân giếng là giống nhau cho cácpha (ở đây là pha lỏng và pha khí)

Việc nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và trao đổi khối lượng tựa dừng trong các giếng khai thác chophép đánh giá ảnh hưởng của các hiệu ứng nhiệt thủy động lực học khác nhau tới các tham số quantrọng như nhiệt độ, áp suất tại mọi điểm phân bố dọc theo trục thân giếng Bằng cách đó, việc phân

tích và nghiên cứu các quá trình tựa dừng trong giếng khai thác không chỉ có ý nghĩa ứng dụng màđồng thời còn có cả ý nghĩa về mặt lý thuyết.

4 Động học kết tinh và lắng đọng paraffin, phương trình toán học mô tả quá trình lắng đọng paraffin

Sự hoạt động và vận hành các giếng dầu - khí hay các giếng khí hóa lỏng thường phức tạp do xảy rahai loại kết tinh Loại thứ nhất là dạng khí ngậm nước (hydrat) Điều kiện cần thiết cho sự hình thànhcủa kết tinh loại này là sự có mặt của nước (hoặc là hơi nước) và các thành phần hydrocacbon màkhi chúng hòa tan vào trong nước và đến một nhiệt độ và áp suất nào đó sẽ hình thành pha rắn Loạinày không được xét đến trong nghiên cứu này khi ống chỉ chứa hai thành phần dầu - khí Loại kếttinh thứ hai, thường quan sát thấy trong quá trình vận hành và hoạt động của các giếng dầu - khí, làbiểu hiện của các hệ hydrocacbon nặng, mà chúng ra gọi là lắng đọng hay kết tinh paraffin Đối với

sự hình thành kết tinh paraffin, hỗn hợp hai pha phải chứa đựng các thành phần nặng (yếu tố trựctiếp tạo ra kết tinh) Ngoài ra nhiệt độ trong giếng (đặc biệt là nhiệt độ gần thành giếng) phải ởkhoảng cho phép sự hình thành kết tinh pha rắn Cụ thể thì nhiệt độ phải nhỏ hơn hay bằng nhiệt độkết tinh của các thành phần nặng

Ngoài ra các nghiên cứu thành phần hóa học cho thấy, paraffin kết tinh trong công nghiệp khai thácdầu khí là hỗn hợp của nhiều thành phần phức tạp về mặt hóa học bao gồm các chất khoáng và cácthành phần hữu cơ Về trạng thái thì nó có thể gồm cả pha lỏng và pha rắn Ảnh hưởng của của phakhí lên quá trình lắng đọng paraffin theo các kết quả nghiên cứu của phương pháp lấy mẫu paraffinhiện nay là hết sức khác nhau Cấu thành chủ yếu của lắng đọng paraffin trong khai thác công nghiệp

là các thành phần rắn có chứa nhiều hydrocacbon (paraffin và asphanten), ngoài ra có cả các thànhphần lỏng có chứa hydrocacbon (nhựa và dầu nặng) Thành phần kết tinh bao gồm paraffin khoảng

10 - 75%, asphanten xấp xỉ 2 - 5 %, nhựa 11 - 30% và dầu nặng 60% Thành phần chủ yếu của chấtkhoáng bao gồm: hỗn hợp cơ học chiếm tỷ lệ 1 - 5%, nước chiếm một vài phần trăm, lưu huỳnh nhỏhơn 2% (H2S và các hợp chất chứa lưu huỳnh) Phụ thuộc vào lượng paraffin hòa tan, các loại dầuthô được phân loại hình thức thành 3 nhóm gồm: dầu nhiều paraffin (thành phần theo khối lượng lớnhơn 2%), dầu ít paraffin (thành phần theo khối lượng từ 1 - 2 %), và dầu không có paraffin (thànhphần theo khối lượng nhỏ hơn 1%) [2] - [5], [7]

Dầu thô của nhiều mỏ dầu hiện nay có chứa hàm lượng khá cao thành phần nặng (các cao phân tửhydrocacbon như paraffin) Chuyển động của những loại dầu thô như vậy trong các hệ thống ống từvỉa đến các hệ thống thu gom bị phức tạp hóa bởi các quá trình hình thành và lắng đọng pha rắn củacác cao phân tử trên thành ống Paraffin khi lắng bám trên thành giếng sẽ dẫn tới làm giảm lưu lượngcủa giếng, làm tăng chi phí cho các thiết bị khai thác, vận chuyển Loại bỏ sự lắng đọng paraffin trongthân giếng đòi hỏi mất nhiều công sức và chi phí [2] - [5]

Để đặt cơ sở cho những phương pháp đang sử dụng, hay để đề xuất, đưa ra những phương phápmới nhằm dự báo và giảm thiểu lắng đọng paraffin, cũng như nhiều vấn đề thực tế quan trọng khácnảy sinh trong công nghiệp khai thác dầu khí đòi hỏi sử dụng các phương pháp vật lý - toán để mô tảcác quá trình xảy ra trong vỉa và thân giếng

Phân tích các tài liệu đã công bố chỉ ra rằng sự hình thành paraffin trong thân giếng xuất hiện khi cótối thiểu 2 yếu tố sau:

+ Trong hỗn hợp khi dầu thô chảy trong thân giếng có chứa các cao phân tử hydrocacbon,

+ Trong thân giếng xuất hiện vùng ở đó nhiệt độ gần thành giếng bằng hoặc nhỏ hơn nhiệt độ bắtđầu kết tinh của paraffin

Những nghiên cứu của Tronov V.P (trích dẫn trong [1]) chỉ ra rằng sự kết tinh là cơ chế cơ bản nhấthình thành paraffin rắn Điều đó có nghĩa là trong những điều kiện khi dòng chảy lỏng - khí có chứanhững thành phần nặng, sự hình thành và phát triển tiếp theo của lắng đọng paraffin xảy ra do sựxuất hiện và phát triển của các tinh thể trực tiếp bám dính trên bề mặt của các thiết bị dưới đất Sựhình thành paraffin bắt đầu từ những vị trí mà ở đó dầu tiếp xúc trực tiếp với thành lạnh của các thiết

bị dưới đất Kết quả của sự giảm nhiệt độ địa phương của dòng lỏng - khí tại lớp biên gần thành thiết

bị là sự giảm khả năng hòa tan của chất lỏng đối với paraffin và dẫn đến sự tách pha rắn và lắng

đọng trên bề mặt thiết bị Đối với mỗi nồng độ paraffin hòa tan trong hỗn hợp dầu - khí tồn tại nhiệt độ

Te mà thấp hơn nhiệt độ này paraffin rắn sẽ hình thành và lắng đọng, hay nói cách khác đối với mỗi

mỏ dầu lắng đọng paraffin sẽ xuất hiện trong tất cả các chế độ làm việc của giếng khi ở đó nhiệt độmiệng giếng thấp hơn nhiệt độ bắt đầu kết tinh paraffin

Cường độ lắng đọng paraffin được xác định qua sự hoạt động của các yếu tố khác nhau: sự làm lạnhthành ống xuống dưới nhiệt độ bắt đầu kết tinh paraffin, nhiệt thủy động lực học hỗn hợp lỏng - khí,yếu tố khí, đặc tính bề mặt thiết bị… Tuy vậy sự kết tinh trực tiếp trên bề mặt cứng của thiết bị chính

là cơ chế hình thành và lắng đọng paraffin Điều này được khẳng định qua các quan sát trực tiếp,cũng như qua các nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ dòng chảy lỏng - khí và thành ống tớicường độ lắng đọng paraffin trong các thiết bị khai thác dầu [1] - [8]

Theo mô hình kết tinh paraffin, trong trường hợp tổng quát, sự thu nhỏ thiết diện thân giếng do lắngđọng paraffin xuất hiện cùng với sự hình thành các hạt kết tinh của pha rắn trong lòng chất lỏng tạilớp biên chảy sát thành ống do bị làm lạnh xuống dưới nhiệt độ kết tinh các thành phần hydrocacbonnặng, và các hạt rắn này sẽ lắng đọng kết bám vào thành thiết bị Ngoài ra, trong việc hình thành vàphát triển pha rắn trên thành giếng, các quá trình khuếch tán nhiệt, các thành phần hydrocacbonnặng cũng có thể đóng vai trò ảnh hưởng Tuy nhiên mô hình hóa định tính hiện tượng lắng đọngparaffin lên thành giếng xét đến tất cả các yếu tố là một việc làm phức tạp, trong đó có thể kể đếnviệc mô hình hóa chi tiết như vậy đòi hỏi phải đưa vào mô hình một lượng lớn các tham số thựcnghiệm mới Vì vậy ta sẽ giả thiết rằng tốc độ phát triển quá trình lắng đọng paraffin trên thành cầnnâng được xác định chủ yếu căn cứ vào nồng độ của các thành phần hydrocacbon nặng, và vàonhiệt độ và cơ chế trao đổi nhiệt - chất giữa dòng và bề mặt pha rắn

Động học quá trình kết tinh paraffin có thể được mô tả sử dụng mô hình khuếch tán, bởi vì ngay cảtrong chế độ chảy rối của dòng chảy hỗn hợp lỏng - khí, kích cỡ xung động cùng bậc với đường kínhống và lớn hơn rất nhiều so với kích thước khu vực xảy ra kết tinh và lắng đọng paraffin Thêm vào

đó, khi xem xét quá trình phát triển và hòa tan lắng đọng paraffin ta quy ước bỏ qua các hiệu ứng liênkết và phân tách [1]

Giả thiết rằng sự hình thành pha rắn được xác định chủ yếu bởi sự giảm tốc độ của dòng chảy chấtlỏng tại khu vực gần thành ống do chất lỏng bị mất nhiệt và giảm nhiệt độ Giả thiết này có nghĩa làchất lỏng có chứa thành phần nặng khi nhiệt độ giảm sẽ hình thành pha rắn Sự khuếch tán cácthành phần và khuếch tán nhiệt mang thành phần hydrocacbon nặng đến gần thành giếng tạo điềukiện cho sự hình thành và phát triển của pha rắn kết tinh bám dính vào thành giếng Cường độ lắngđọng paraffin phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy trong giếng hay chính là vào lưu lượng đầu ra củagiếng Tốc độ của quá trình lắng đọng paraffin sẽ xác định bởi điều kiện cân bằng nhiệt trên bề mặtlắng đọng pha rắn trong mối quan hệ tương tác qua lại giữa dòng chảy lỏng - khí và paraffin

Các tính toán đã được thực hiện và kết quả được so sánh với kết quả của nhóm nghiên cứuShagapov và những người khác [1] Các tính toán sử dụng chương trình được phát triển trongnghiên cứu này được thực hiện với các trường hợp nồng độ pha nặng tương ứng là 6,83; 5,0 và1,43% Nồng độ pha nặng trong nghiên cứu của Shagapov và những người khác (và một số tham sốkhác của giếng) không đưa ra giá trị cụ thể do đó các so sánh được thực hiện cho cả ba trường hợp

và kết quả cho thấy trường hợp nồng độ pha nặng là 5% cho kết quả tính toán gần nhất với các kếtquả của nhóm Shagapov Các Hình 3, 4, 5 dưới đây trình bày các kết quả so sánh cho phân bố nhiệt

độ dọc theo trục của giếng và bề dày lớp paraffin lắng đọng trên thành ống Kết quả tính toán áp suấtkhông được đưa ra trong nghiên cứu của Shagapov [1] nên các tính toán là không có và sẽ khôngđược trình bày