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 trung tâm số 3 của mỏ bạch hổ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.42 MB, 101 trang )
Luận văn tốt nghiệp
Lời cảm ơn
____________________________________________________________________________
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Mai Cao
Lân. Thầy đã truyền đạt cho em những kiến thức lý thuyết cơ sở quý báu, chỉ dẫn
cho em phương pháp học tập hiệu quả, cách phân tích và giải quyết vấn đề, giúp đỡ
em nguồn tài liệu tham khảo quan trọng, cũng như tạo điều kiện cho em được thực
tập, và Thầy là người tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn anh Nguyễn Viết Văn, người đã hướng dẫn và giúp
đỡ em từng bước hoàn thành luận văn tốt nghiệp, giúp em liên hệ kiến thức giữa lý
thuyết và thực tiễn. Em thật sự cảm ơn về những kiến thức thực tế rất hữu ích mà anh
đã chỉ dẫn trong suốt quá trình thực tập. Bên cạnh đó, em cũng xin được gửi lời cảm
ơn sâu sắc đến các anh chị phòng Khai Thác – Hoàng Long Hoàn Vũ JOC đã nhiệt
tình giúp đỡ và sẵn sàng giải đáp những thắc mắc của em trong suốt quá trình thực
tập.
Em muốn được bày tỏ lòng biết ơn trân trọng đến các thầy cô trường Đại học
Bách Khoa ĐHQG Tp.HCM, đặc biệt là các thầy cô khoa KT Địa chất và Dầu khí,
các thầy ở bộ môn Khoan và Khai Thác Dầu Khí đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo và
giúp đỡ em trong suốt thời gian trên giảng đường đại học.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Công ty Điều hành chung dầu
khí Hoàng Long Hoàn Vũ JOC, Ts. Ngô Hữu Hải, ông Vũ Văn Cường, đã tạo điều
kiện cho em thực tập và hoàn thành tốt luận văn này.
Con xin gửi lời tri ân sâu sắc đến Ba Mẹ, cảm ơn Ba Mẹ đã sinh thành, nuôi
dưỡng và dạy dỗ con nên người. Ba Mẹ luôn là nguồn động viên lớn nhất và đã tạo
cho con những điều kiện tốt nhất trên bước đường học tập và trưởng thành. Đối với
con, gia đình luôn là chỗ dựa lớn lao trong cuộc đời này.
Sau cùng, tôi muốn cám ơn các anh chị sinh viên khoa Kỹ Thuật Địa Chất &
Dầu Khí, các bạn cùng khóa và các em sinh viên khóa sau đã cùng tôi đồng hành trên
bước đường học tập.
ĐỖ XUÂN HÒA
______________________________________________________________________
SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690
i
Luận văn tốt nghiệp
Tóm tắt luận văn
____________________________________________________________________________
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.
Trong phần đầu của luận văn, cơ sở lý thuyết về tối ưu hóa sẽ được trình bày
một cách tổng quan nhằm xác định mục đích, đối tượng và các phương pháp sử dụng
cho việc tối ưu. Tiếp đó, cơ sở lý thuyết và tính toán nhằm xây dựng mô hình dòng
chảy đa pha trong đường ống vận chuyển được trình bày. Cơ sở xây dựng mô hình
dòng chảy đa pha là các phương trình vi phân được thiết lập cho từng pha của chất lưu.
Đối tượng nghiên cứu cụ thể của luận văn là 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
trung tâm số 3 của mỏ Bạch Hổ. 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, các quy trình tối ưu hóa được 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.
Kết quả đạt được sau quá trình mô phỏng là sự biễu diễn áp suất, nhiệt độ, tỷ
phần lỏng, tác động sự hình thành các nút khí trong hệ thống đường ống vận chuyển
với các chế độ làm việc khác nhau. Trên cơ sở phân tích và đánh giá các kết quả này,
việc đề xuất phương án hợp lý nhằm cải thiện hiệu suất vận chuyển cũng như giảm
thiểu rủi ro và tiết kiệm chi phí xử lý được thực hiện.
______________________________________________________________________
SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690
ii
Luận văn tốt nghiệp
Mục lục
____________________________________________________________________________
MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................... iii
DANH SÁCH HÌNH ẢNH .............................................................................................. v
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ........................................................................................ viii
CHỮ VIẾT TẮT .............................................................................................................ix
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... x
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU HÓA VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ BẰNG
ĐƯỜNG ỐNG KẾT NỐI................................................................................................. 1
1.1. Tổng quan về tối ưu hóa vận chuyển dầu khí bằng đường ống kết nối.............. 1
1.2. Mục đích của việc tối ưu hóa vận chuyển dầu khí trong đường ống ................. 2
1.3. Phương pháp tối ưu hóa ...................................................................................... 3
1.3.1.
Mục tiêu tối ưu hóa................................................................................... 3
1.3.2.
Các thông số kiểm soát quá trình tối ưu hóa ............................................ 3
1.3.3.
Các phương pháp sử dụng cho quá trình tối ưu hóa................................. 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT DÒNG CHẢY ĐA PHA TRONG ĐƯỜNG ỐNG
VẬN CHUYỂN ............................................................................................................... 8
2.1. Tổng quan về dòng chảy đa pha ......................................................................... 8
2.1.1
Các chế độ dòng chảy trong đường ống nằm ngang.................................... 8
2.1.2
Các chế độ dòng chảy trong đường ống thẳng đứng ................................ 10
2.1.3
Biểu đồ chế độ dòng chảy (Flow regime maps) ........................................ 11
2.2
Cơ sở tính toán và xây dựng mô hình dòng chảy hai pha ................................ 15
2.2.1.
Phương trình bảo toàn khối lượng .......................................................... 15
2.2.2.
Phương trình bảo toàn động lượng ......................................................... 16
2.2.3.
Phương trình bảo toàn năng lượng ......................................................... 17
2.2.4.
Phương trình áp suất ............................................................................... 18
2.2.5.
Sự truyền khối giữa bề mặt phân cách các pha ...................................... 18
2.3. Các tính chất cơ bản của chất lưu vận chuyển trong đường ống ...................... 19
______________________________________________________________________
SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690
iii
Luận văn tốt nghiệp
Mục lục
____________________________________________________________________________
2.3.1.
Tính lưu biến .......................................................................................... 19
2.3.2.
Nhiệt độ kết tinh ..................................................................................... 24
2.3.3.
Nhiệt độ đông đặc................................................................................... 24
2.3.4.
lưu
Ảnh hưởng hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc đến các tính chất của chất
................................................................................................................ 25
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH NHIỆT THỦY ĐỘNG DÒNG CHẢY
TRONG ĐƯỜNG ỐNG KẾT NỐI MỎ CÁ NGỪ VÀNG ĐẾN MỎ BẠCH HỔ VÀ
ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN HỖN HỢP
DẦU KHÍ ....................................................................................................................... 30
3.1. Tổng quan hệ thống kết nối mỏ Cá Ngừ Vàng – mỏ Bạch Hổ ........................ 30
3.1.1.
Giới thiệu chung mỏ Cá Ngừ Vàng ........................................................ 30
3.1.2.
Hệ thống đường ống kết nối CNV – CPP3 ............................................ 31
3.1.3.
Thành phần và tính chất dầu thô CNV ................................................... 33
3.1.4.
Hiện trạng làm việc thực tế trong đường ống vận chuyển dầu khí CNV
– CPP3 ................................................................................................................ 41
3.2. Xây dựng mô hình dòng chảy đa pha trong đường ống vận chuyển ................ 50
3.2.1.
Các dữ liệu thực tế cần thiết cho việc xây dựng mô hình ...................... 51
3.2.2.
chuyển
Xây dựng mô hình nhiệt thủy động dòng chảy trong đường ống vận
................................................................................................................ 53
3.2.3.
chuyển
Hiệu chỉnh mô hình nhiệt thủy động dòng chảy trong đường ống vận
................................................................................................................ 54
3.3. Mô phỏng quá trình nhiệt thủy động dòng chảy trong đường ống và đề xuất
phương án tối ưu hóa vận chuyển hỗn hợp dầu khí ................................................... 57
3.3.1.
Mô phỏng quá trình nhiệt thủy động dòng chảy trong đường ống vận
chuyển với chế độ lưu lượng hoạt động hiện thời.................................................. 57
3.3.2.
Mô phỏng quá trình nhiệt thủy động dòng chảy trong đường ống vận
chuyển với các chế độ lưu lượng khác nhau .......................................................... 59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 87
______________________________________________________________________
SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690
iv
Luận văn tốt nghiệp
Danh sách hình ảnh
____________________________________________________________________________
DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1 – Mục đích tối ưu hóa vận chuyển dầu khí trong đường ống ........................... 2
Hình 1.2 – Các lớp bọc cách nhiệt đường ống vận chuyển CNV – CPP3 [9] .................. 4
Hình 1.3 – Hình dạng con thoi 8.5" ................................................................................. 7
Hình 1.4 – Hình dạng con thoi 9.25" ............................................................................... 7
Hình 2.1 – Các chế độ dòng chảy trong đường ống nằm ngang [3] ............................... 10
Hình 2.2 – Các chế độ dòng chảy trong đường ống thẳng đứng [3] .............................. 10
Hình 2.3 – Biểu đồ chế độ dòng chảy Beggs & Brill (1973) cho ống ngang [3] ............ 13
Hình 2.4 – Biểu đồ chế độ dòng chảy Taitel và Dukler (1976) cho ống ngang [3] ........ 15
Hình 2.5 – Các mô hình chất lỏng Newton và phi Newton [2] ....................................... 20
Hình 2.6 – Hình vẽ biễu diễn ứng suất trượt của chất lỏng Newton [2] ......................... 21
Hình 2.7 – Các tinh thể paraffin trước (trái) và sau (phải) khi sử dụng hóa phẩm [16]. 26
Hình 2.8 – Kết quả thí nghiệm các chất làm giảm nhiệt độ đông đặc khác nhau với các
liều lượng khác nhau ...................................................................................................... 27
Hình 2.9 – Ảnh hưởng của các chất PPD với liều lượng 1000ppm đến độ cản ban đầu
........................................................................................................................................ 28
Hình 2.10 – Ảnh hưởng của các chất PPD với liều lượng 1000ppm đến độ nhớt động
học dầu của CNV ........................................................................................................... 28
Hình 3.1 – Sơ đồ vị trí mỏ Cá Ngừ Vàng [9] ................................................................... 30
Hình 3.2 – Sơ đồ vận chuyển dầu khí từ CNV WHP [9] ................................................. 31
Hình 3.3 – Đồ thị biểu diễn sự thay đổi tốc độ lắng đọng paraffin khi giảm nhiệt độ .. 35
Hình 3.4 – Đồ thị biểu diễn hàm lượng % paraffin hòa tan trong dầu theo nhiệt độ ... 36
Hình 3.5 – Đồ thị biểu diễn biến thiên độ nhớt động học STO theo nhiệt độ ................ 38
Hình 3.6 – Đồ thị biểu diễn biến thiên độ nhớt động học Live Crude theo nhiệt độ ..... 39
Hình 3.7 – Đồ thị so sánh độ nhớt động học biến thiên theo nhiệt độ của STO & Live
crude ............................................................................................................................... 40
Hình 3.8 – Đồ thị biểu diễn lưu lượng và áp suất làm việc trên CNV & CPP-3 ........... 43
Hình 3.9 – Đồ thị biểu diễn lưu lượng và nhiệt độ làm việc trên CNV & CPP-3 ......... 44
Hình 3.10 – Quan hệ giữa lưu lượng và áp suất trong đường ống CNV- CPP3, 1st ..... 45
Hình 3.11 – Quan hệ giữa lưu lượng và áp suất trong đường ống CNV- CPP3, 2nd .... 45
Hình 3.12 – Quan hệ giữa lưu lượng và áp suất trong đường ống CNV- CPP3, 3rd .... 46
______________________________________________________________________
SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690
v
Luận văn tốt nghiệp
Danh sách hình ảnh
____________________________________________________________________________
Hình 3.13 – Quan hệ giữa lưu lượng và áp suất trong đường ống CNV- CPP3, 4th ..... 46
Hình 3.14 – Quan hệ giữa lưu lượng và áp suất trong đường ống CNV- CPP3, 5th ..... 47
Hình 3.15 – Sơ đồ quy trình mô phỏng chung cho bài toán tối ưu hóa quá trình vận
chuyển dầu khí trong thực tế .......................................................................................... 49
Hình 3.16 – Sơ đồ mô tả các bước chung trong quá trình xây dựng mô hình ............... 50
Hình 3.17 – Đồ thị mô phỏng mặt cắt tuyến ống CNV-CPP3 trên OLGA 7.0 .............. 52
Hình 3.18 – Mô hình hệ thống đường ống vận chuyển hỗn hợp dầu khí CNV – CPP3 53
Hình 3.19 – Kết quả mô phỏng áp suất trên CNV & CPP3 trong 24h (start-up) sau khi
chạy mô hình. ................................................................................................................. 53
Hình 3.20 – Kết quả mô phỏng nhiệt độ trên CNV & CPP-3 trong 24h (start-up) sau
khi chạy mô hình ............................................................................................................ 54
Hình 3.21 – Kết quả áp suất đo thực thế trên CNV và CPP-3 trong 24h ...................... 55
Hình 3.22 – Kết quả nhiệt độ đo thực tế trên CNV & CPP-3 trong 24h ....................... 55
Hình 3.23 – Kết quả hiệu chỉnh áp suất thực tế và mô phỏng trên CNV & CPP3 ........ 56
Hình 3.24 – Kết quả hiệu chỉnh nhiệt độ thực tế và mô phỏng trên CNV & CPP3 ....... 56
Hình 3.25 – Đồ thị biễu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất sau côn tiết lưu ... 57
Hình 3.26 – Kết quả mô phỏng biến thiên áp suất trong đường ống vận chuyển CNV CPP3 .............................................................................................................................. 58
Hình 3.27 – Kết quả mô phỏng biến thiên nhiệt độ trong đường ống vận chuyển CNV CPP3 .............................................................................................................................. 59
Hình 3.28 – Kết quả mô phỏng áp suất và nhiệt độ trong đường ống sau 24h
(6000STB/d) ................................................................................................................... 60
Hình 3.29 – Kết quả mô phỏng vận tốc và tỷ phần lỏng trong đường ống sau 24h ...... 61
Hình 3.30 – Kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại CPP-3 ................................... 61
Hình 3.31 – Kết quả mô phỏng áp suất và nhiệt độ trong đường ống sau 24h
(5000STB/d) ................................................................................................................... 62
Hình 3.32 – Kết quả mô phỏng vận tốc và tỷ phần lỏng trong đường ống sau 24h ...... 63
Hình 3.33 – Kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại CPP-3 ................................... 63
Hình 3.34 – Kết quả mô phỏng áp suất và nhiệt độ trong đường ống sau 24h
(3000STB/d – 40bar) ...................................................................................................... 64
Hình 3.35 – Kết quả mô phỏng vận tốc và tỷ phần lỏng trong đường ống sau 24h ...... 65
Hình 3.36 – Kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại CPP-3 ................................... 65
Hình 3.37 – Kết quả mô phỏng áp suất và nhiệt độ trong đường ống sau 24h
(3000STB/d – 17bar) ...................................................................................................... 66
Hình 3.38 – Kết quả mô phỏng vận tốc và tỷ phần lỏng trong đường ống sau 24h ...... 67
Hình 3.39 – Kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại CPP-3 ................................... 67
______________________________________________________________________
SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690
vi
Luận văn tốt nghiệp
Danh sách hình ảnh
____________________________________________________________________________
Hình 3.40 – Kết quả mô phỏng áp suất và nhiệt độ trong đường ống sau 24h
(2000STB/d) ................................................................................................................... 68
Hình 3.41 – Kết quả mô phỏng vận tốc và tỷ phần lỏng trong đường ống sau 24h ...... 69
Hình 3.42 – Kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại CPP-3 ................................... 69
Hình 3.43 – Lưu lượng thể tích tại CPP-3 (2000 bbl/d) ................................................ 70
Hình 3.44 – Số nút khí tại CPP-3 (2000 bbl/d) .............................................................. 71
Hình 3.45 – Chiều dài nút khí tại CPP-3 (2000 bbl/d) .................................................. 71
Hình 3.46 – Lưu lượng cộng dồn tại CPP-3 (2000 bbl/d) ............................................. 72
Hình 3.47 – So sánh thể tích lỏng thay đồi đột ngột tại CPP-3 ở 2000 bbl/d & 5000
bbl/d ................................................................................................................................ 72
Hình 3.48 – Kết quả mô phỏng áp suất và nhiệt độ trong đường ống sau 24h
(1000STB/d) ................................................................................................................... 73
Hình 3.49 – Kết quả mô phỏng vận tốc và tỷ phần lỏng trong đường ống sau 24h ...... 74
Hình 3.50 – Kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại CPP-3 ................................... 74
Hình 3.51 – Lưu lượng thể tích tại CPP-3 (1000 bbl/d) ................................................ 75
Hình 3.52 – Số nút khí tại CPP-3 (1000 bbl/d) .............................................................. 76
Hình 3.53 – Chiều dài nút khí tại CPP-3 (1000 bbl/d) .................................................. 76
Hình 3.54 – Lưu lượng cộng dồn tại CPP-3 (1000 bbl/d) ............................................. 77
Hình 3.55 – So sánh thể tích lỏng thay đồi đột ngột tại CPP-3 ở 1000 bbl/d & 5000
bbl/d ................................................................................................................................ 77
Hình 3.56 – Đồ thị biễu diễn kết quả phân tích nhiệt độ đông đặc với các liều lượng
chất ức chế khác nhau .................................................................................................... 79
Hình 3.57 – Đồ thị biểu diễn hiệu quả của hóa phẩm PPD đến độ nhớt của dầu CNV 81
______________________________________________________________________
SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690
vii
Luận văn tốt nghiệp
Danh sách bảng biểu
____________________________________________________________________________
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 – Các đặc tính cơ bản của đường ống vận chuyển CNV – CPP3 [9] ................ 5
Bảng 2.1 – Bảng liệt kê các chất PPD sử dụng cho việc sàng lọc ................................ 26
Bảng 2.2 – Bảng kết quả đánh giá hiệu quả sử dụng các loại PPD khác nhau ............ 29
Bảng 3.1 – Các đặc tính kỹ thuật của đường ống ngầm khai thác [9] ............................ 32
Bảng 3.2 – Kết quả phân tích các thành phần trong dầu thô 9.2-CNV-4XST, DST#1 .. 33
Bảng 3.3 – Các thông số cơ bản của dầu thô CNV........................................................ 34
Bảng 3.4 – Kết quả phân tích khả năng lắng đọng của dầu CNV ................................. 35
Bảng 3.5 – Kết quả phân tích hàm lượng hòa tan paraffin trong dầu theo nhiệt độ..... 36
Bảng 3.6 – Các giá trị độ nhớt động lực dầu CNV ở các nhiệt độ khác nhau .............. 37
Bảng 3.7 – Các thông số làm việc trong đường ống vận chuyển CNV - CPP-3 ........... 42
Bảng 3.8 – Dữ liệu thành phần chất lưu CNV trên PVTsim 19.0 .................................. 51
Bảng 3.9 – Dữ liệu áp suất, nhiệt độ và lưu lượng ........................................................ 51
Bảng 3.10 – Dữ liệu cơ bản vật liệu của đường ống ..................................................... 52
Bảng 3.11 – Dữ liệu nhiệt độ và áp suất sau côn tiết lưu .............................................. 57
Bảng 3.12 – Các trường hợp mô phỏng chế độ dòng chảy ổn định trong đường ống .. 58
Bảng 3.13 – Dữ liệu mô phỏng các chế độ lưu lượng khác nhau .................................. 59
Bảng 3.14 – Kết quả mô phỏng nhiệt thủy động dòng chảy trong đường ống với các
chế độ lưu lượng khác nhau ........................................................................................... 78
Bảng 3.15 – Kết quả phân tích nhiệt độ đông đặc ở các liều lượng chất ức chế khác
nhau ................................................................................................................................ 79
Bảng 3.16 – Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của hóa phẩm đến độ nhớt động
học của dầu CNV ........................................................................................................... 80
Bảng 3.17 – Bảng định lượng hóa phẩm cho các lưu lượng vận chuyển khác nhau .... 82
______________________________________________________________________
SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690
viii
Luận văn tốt nghiệp
Chữ viết tắt
____________________________________________________________________________
CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Mô tả
API
American Petroleum Institute
ASTM
American Society of Testing and Materials
BH
Bach Ho
CNV WHP
Ca Ngu Vang Well Head Platform
CPP
JV Vietsovpetro’s Central Processing Platform at Bach Ho field
CPM
Cross Polarized Micoscope
CWC
Concrete Weight Coating
DSC
Differential Scanning Calorimetry
FSO
Floating Storage and Offloading
FPSO
Floating Production Storage and Offloading
GOR
Gas Oil Ratio
NIR
Near infrared
ID
Inner Diameter
OD
Outside Diameter
PP
Polypropylene
PPD
Pour Point Depressant
PU
Polyurethane
STO
Stock Tank Oil
WAT
Wax Appearance Temperature
______________________________________________________________________
SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690
ix
Luận văn tốt nghiệp
Mở đầu
____________________________________________________________________________
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
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 giữa Hoàn Vũ JOC kết hợp với Vietsovpetro về đường ống kết nối dài
25km từ mỏ Cá Ngừ Vàng của đến giàn xử lý trung tâm số 3 mỏ Bạch Hổ. 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. Chính vì vậy, đề tài luận văn “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” được nghiên
cứu.
______________________________________________________________________
SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690
x
Luận văn tốt nghiệp
Mở đầu
____________________________________________________________________________
2. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài
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. Trong bài báo (Leksono Mucharam, Septoratno Siregar, Darmadi,
Musyoffi Yahya, Achirul Akbar, 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, 2009) dựa
trên thuật toán di truyền, 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.
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, PVEP Vietnam, 2004), 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 - 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 như Hausdorff's Dimension “D”,
Hurst's Index “H” và Entropies “E”.
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
______________________________________________________________________
SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690
xi
Luận văn tốt nghiệp
Mở đầu
____________________________________________________________________________
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.
3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục đích của đề tài là mô phỏng các chế độ làm việc khác nhau trong đường
ống vận chuyển dầu khí từ mỏ Cá Ngừ Vàng đến mỏ Bạch Hổ nhằm xác định lưu
lượng làm việc tối thiểu mà tại đó chất lưu còn có thể di chuyển được trong đường ống
và tìm ra phương án hợp lý giảm thiểu rủi ro như lắng đọng paraffin, sự hình thành nút
khí,... Để đạt được mục đích trên, luận văn tập trung vào các nội dung nghiên cứu sau :
-
Khảo sát một cách hệ thống tổng quan về tối ưu hóa quá trình vận chuyển
dầu khí 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.
-
Ứng dụng phần mềm OLGA 7.0 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 hành.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài bao gồm:
-
Hệ thống hóa cơ sở tính toán dòng chảy & lý thuyết tối ưu hóa trong đường
ống vận chuyển.
-
Phân tích số liệu các thí nghiệm.
-
Mô hình hóa và mô phỏng với sự hỗ trợ của phần mềm OLGA 7.0.
-
Phương pháp phân tích ảnh hưởng (Sensitivity analysis).
5. Tài liệu cơ sở của luận văn
Luận văn được xây dựng trên cơ sở của các tài liệu về lý thuyết dòng chảy đa
pha trong đường ống, lý thuyết về thu gom & vận chuyển dầu khí đa pha trong đường
______________________________________________________________________
SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690
xii
Luận văn tốt nghiệp
Mở đầu
____________________________________________________________________________
ống và một số bài báo SPE. Ngoài ra, luận văn còn sử dụng các tài liệu kỹ thuật, tài
liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm OLGA của công ty SPT Group – Schlumberger,
một số báo cáo về đảm bảo dòng chảy trong đường ống vận chuyển của các công ty
dầu khí.
6. Cấu trúc của luận văn
Luận văn bao gồm các chương chính sau:
Chương 1: Tổng quan về tối ưu hóa vận chuyển dầu khí bằng đường ống kết nối
Giới thiệu một cách tổng quan về tối ưu hóa vận chuyển dầu khí bằng đường
ống và mục đích của việc tối ưu này. Bên cạnh đó, các phương pháp được sử dụng cho
bài toán tối ưu trong thực tế hiện nay cũng được trình bày trong chương này.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về dòng chảy đa pha trong đường ống vận chuyển
Trình bày một cách tổng quát lý thuyết về dòng chảy đa pha, các tính chất cơ
bản của chất lưu vận chuyển trong đường ống và các phương trình toán học giúp mô
phỏng dòng chảy đa pha trong đường ống.
Chương 3: Mô phỏng quá trình nhiệt thủy động dòng chảy trong đường ống kết
nối mỏ Cá Ngử Vàng đến mỏ Bạch Hổ và đề xuất phương án tối ưu hóa quá
trình vận chuyển hỗn hợp dầu khí
Luận văn trình bày sơ lược tổng quan về mỏ Cá Ngừ Vàng. Thêm vào đó, các lý
thuyết về dòng chảy đa pha và tính chất của chất lưu vận chuyển trong đường ống ở
chương 2 được sử dụng để phân tích các tính chất hóa lý của dầu thô CNV cũng như
các thông số làm việc thực tế trong đường ống vận chuyển từ CNV – CPP3. Sau quá
trình phân tích này, các quy trình mô phỏng được đề xuất. Cuối cùng, mô hình nhiệt
thủy động dòng chảy trong đường ống vận chuyển hỗn hợp dầu khí được xây dựng dựa
trên các phương trình toán học đã đề cập trong chương 2 và phục vụ cho việc mô
phỏng bài toán tối ưu hóa.
______________________________________________________________________
SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690
xiii
Luận văn tốt nghiệp
Tổng quan tối ưu hóa vận chuyển dầu khí
____________________________________________________________________________
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU HÓA VẬN CHUYỂN
DẦU KHÍ BẰNG ĐƯỜNG ỐNG KẾT NỐI
1.1.
Tổng quan về tối ưu hóa vận chuyển dầu khí bằng đường ống kết nối
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 bao gồm 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 xẻ 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 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 Hoàng Long Hoàn Vũ JOC đã và
đang nghiên cứu việc xử lý hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc cho dầu CNV, việc
SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690
1
Luận văn tốt nghiệp
Tổng quan tối ưu hóa vận chuyển dầu khí
____________________________________________________________________________
phóng thoi định kỳ nạo vét đường ống để loại bỏ paraffin lắng đọng trên thành ống, lưu
lượng vận chuyển hợp lý nhất cho mỗi giai đoạn khai thác phù hợp với điều kiện thực
tế của đường ống …
1.2.
Mục đích của việc tối ưu hóa vận chuyển dầu khí trong đường ống
Trên thực tế, hệ thống đường ống vận chuyển dầu khí trong đường ống ngầm
dưới biển nội mỏ với nhau luôn đối mặt với sự dao động áp suất, nhiệt độ và lưu lượng
vận chuyển của chất lưu trong ống. Các yếu tố này có thể gây ra sự phức tạp và tính
mất ổn định trong vận chuyển dầu khí đặc biệt đối với các hệ thống đường ống dài
hàng chục kilomet dưới đáy biển. Vì vậy, công tác tối ưu hóa - đảm bảo dòng chảy
trong đường ống luôn được tiến hành thực hiện với mục đích xác định chế độ làm việc
tối thiểu mà tại đó chất lưu vẫn có thể di chuyển được trong đường ống và tìm ra
phương án hợp lý giảm thiểu hóa rủi ro trong quá trình vận hành, hình 1.1.
Tối ưu hóa vận chuyển
trong đường ống
Giảm thiểu rủi ro
Tiết kiệm chi phí xử lý
(Lắng đọng paraffin, tắc nghẽn
đường ống, hình thành nút khí …)
(Hóa phẩm ức chế & giảm nhiệt
độ đông đặc, phóng thoi …)
Đảm bảo dòng chảy hoạt
động tốt nhất có thể
Hình 1.1 – Mục đích tối ưu hóa vận chuyển dầu khí trong đường ống
SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690
2
Luận văn tốt nghiệp
Tổng quan tối ưu hóa vận chuyển dầu khí
____________________________________________________________________________
1.3.
Phương pháp tối ưu hóa
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 hoạt động ổn định trong đường ống vận chuyển, giảm thiểu
rủi ro, tối thiểu hóa chi phí vận hành.
1.3.2. Các thông số kiểm soát quá trình tối ưu hóa
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
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 (Hydraulic regime) 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, khử các lớp lắng đọng trong đường ống (phóng thoi nạo vét ống, bơm
dầu nóng, dùng nước nóng)… 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.
Hiện nay, dựa trên tình hình thực tế đường ống kết nối từ mỏ Cá Ngừ Vàng đến
giàn xử lý trung tâm số 3 mỏ Bạch Hổ, một số phương pháp được sử dụng để giải
SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690
3
Luận văn tốt nghiệp
Tổng quan tối ưu hóa vận chuyển dầu khí
____________________________________________________________________________
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. 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 paraffin (WAT).
Hình 1.2 – Các lớp bọc cách nhiệt đường ống vận chuyển CNV – CPP3 [9]
SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690
4
Luận văn tốt nghiệp
Tổng quan tối ưu hóa vận chuyển dầu khí
____________________________________________________________________________
Bảng 1.1 – Các đặc tính cơ bản của đường ống vận chuyển CNV – CPP3 [9]
Yếu tố thiết kế
Steel Pipe
1st Layer of
Coating
2nd Layer of
Coating
3rd Layer of
Coating
4th Layer of
Coating
5th Layer of
Coating
Concrete Weght
Coating
Thông số
Giá trị
Đơn vị
Đường kính ngoài
273.1
mm
Bề dày
20.1
mm
Vật liệu
API 5L X65
-
Độ dẫn nhiệt
45
W/mK
Tỷ trọng
7850
kg/m3
Bề dày
0.15
mm
Vật liệu
FBE
-
Độ dẫn nhiệt
0.3
W/mK
Tỷ trọng
1450
kg/m3
Bề dày
0.35
mm
Vật liệu
PP adhesive
-
Độ dẫn nhiệt
0.22
W/mK
Tỷ trọng
1450
kg/m3
Bề dày
3.5
mm
Vật liệu
Solid Polypropylene
-
Độ dẫn nhiệt
0.215
W/mK
Tỷ trọng
900
kg/m3
Bề dày
26
mm
Vật liệu
PU Foam
Độ dẫn nhiệt
0.04
W/mK
Tỷ trọng
165
kg/m3
Bề dày
4
mm
Vật liệu
Solid Polypropylene
Độ dẫn nhiệt
0.215
W/mK
Tỷ trọng
900
kg/m3
Bề dày
48.26
mm
Tỷ trọng
2242.6
kg/m3
SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690
5
Luận văn tốt nghiệp
Tổng quan tối ưu hóa vận chuyển dầu khí
____________________________________________________________________________
b. Xử lý dầu bằng hóa phẩm
Sử dụng hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc trong xử lý dầu (những chất làm
giảm độ nhớt và ứng suất dịch chuyển tới hạn của dầu) – là phương pháp có nhiều triển
vọng trong xử lý dầu nhiều paraffin 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 paraffin. 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 paraffin 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 paraffin 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 các loại dầu. Thực tế
quan sát đã cho thấy những tính chất lưu biến của dầu mỏ CNV đã được cải thiện đáng
kể khi chúng được xử lý bằng hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc. Khả năng giảm nhiệt
độ đông đặc đối với dầu CNV ở khoảng 10 – 15 oC.
c. Phóng thoi nạo vét đường ống (Pigging)
Thực tế cho thấy quá trình vận chuyển dầu CNV 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 paraffin khá cao… gây ra nhiều khó
khăn trong công tác xử lý và vận chuyển dầu khí. Khi các biện pháp phòng chống lắng
đọng paraffin trong đường ống không đạt hiệu quả, biện pháp cơ học - phóng thoi nạo
vét đường ống được thực hiện nhằm mục đích loại bỏ paraffin ra khỏi đường ống.
SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690
6
Luận văn tốt nghiệp
Tổng quan tối ưu hóa vận chuyển dầu khí
____________________________________________________________________________
Từ đầu năm 2010 đến nay công ty Hoàn Vũ đã thực hiện phóng thoi định kỳ vào
mỗi tháng và mỗi đợt thực hiện phóng 2 quả thoi:
-
Con thoi thứ nhất với đường kính là 8.5" mục đích quét những cặn sáp trong
đường ống.
Hình 1.3 – Hình dạng con thoi 8.5"
-
Con thoi thứ hai có nhiệm vụ quét đường ống và làm sạch một lần nữa với
đường kính 9.25".
Hình 1.4 – Hình dạng con thoi 9.25"
Nguyên tắc hoạt động của con thoi: Dưới áp suất được thiết lập đẩy thoi ở phía
sau, toàn bộ con thoi được nén theo chiều dọc đường ống và mở rộng hoàn toàn như
một cái nêm vào đường ống. Dưới áp suất cao từ phía sau, chất lỏng sẽ phụt qua con
thoi có tác dụng bôi trơn và làm mát con thoi, giúp con thoi giữ được đặc tính và hình
dạng trong suốt quá trình di chuyển. Hành 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 quét qua.
SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690
7
Luận văn tốt nghiệp
Lý thuyết dòng chảy đa pha trong đường ống
____________________________________________________________________________
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT DÒNG CHẢY ĐA PHA
TRONG ĐƯỜNG ỐNG VẬN CHUYỂN
2.1.
Tổng quan về dòng chảy đa pha
Dòng chảy đa pha là dạng dòng chảy rất hay gặp trong ngành công nghiệp dầu
khí. Loại dòng chảy này xuất hiện xuyên suốt từ quá trình khai thác đến quá trình xử lý
và vận chuyển bằng đường ống. Việc hiểu biết một cách đầy đủ và chính xác về dòng
chảy đa pha là một vấn đề rất khó khăn và phức tạp. Nhiều công trình nghiên cứu về
dòng chảy đa pha đã được thực hiện từ những năm 1950. Cho đến nay vẫn chưa có một
mô hình thống nhất và chính xác áp dụng cho việc tính toán cụ thể đối với dòng chảy
trong hệ thống khai thác và vận chuyển. Hầu hết các mô hình thường được tiến hành
thông qua thực nghiệm, vì vậy, kết quả vẫn chỉ dừng lại ở mức tương đối.
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 đã 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. Ngược lại, đối với dòng hướng xuống, pha lỏng thường di chuyển
nhanh hơn pha khí. Ngoài ra, các thông số như chế độ dòng chảy, tổn hao áp suất, tỷ
phần 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 trong đường ống nằm ngang
Trong đường ống nằm ngang, dòng chảy đa pha có thể thay đổi thành 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:
SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690
8
Luận văn tốt nghiệp
Lý thuyết dòng chảy đa pha trong đường ống
____________________________________________________________________________
-
Dòng chảy bọt khí: các pha khí tồn tại dưới dạng bong bóng khí nhỏ và
phân tán trong pha 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 dạng nút: từ dòng chảy bọt, khi vận tốc của pha khí được tăng
lên, các bong bóng khí sẽ kết tụ lại với nhau tạo thành những bong bóng khí
lớn hơn, dài hơn và có dạng nón. Những bong bóng khí này hay được gọi là
bọt khí Taylor. Dòng chảy dạng nút gồm có bọt khí Taylor, bị tách biệt trong
vùng dòng chảy dạng bọt khí được gọi là nút.
Những nút chất lỏng này có thể làm cho áp suất trong đường ống thay đổi
bất thường trong quá trình vận hành, gây ra những tác động xấu đối với các
thiết bị vận chuyển và xử lý.
-
Dòng chảy dạng bọt kéo dài (Elongated bubble flow): có cấu trúc tương
tự như dòng chảy dạng nút, nhưng các bọt khí bị tắc nghẽn một thời gian
ngắn, vì vậy, dòng chảy trở nên gián đoạn, những bọt khí nhỏ hơn và di
chuyển chậm hơn so với dòng chảy dạng nút.
-
Dòng chảy dạng phân tầng: pha lỏng phân bố dọc theo phía dưới tuyến
ống, pha khí nằm trên pha lỏng và được ngăn cách nhau bởi mặt phân giới
khí-lỏng.
Loại dòng chảy này có khuynh hướng xuất hiện nhiều tại những đoan đường
ống có dốc xuống và dòng chảy nằm ngang với chất lưu có tốc độ thấp.
-
Dòng chảy dạng sóng: xuất hiện khi vận tốc của pha khí trong dòng chảy
dạng phân tầng tăng lên, các dao động của sóng bắt đầu hình thành lớn dần.
Các gợn sóng này có thể đạt được đến thành ống.
-
Dòng chảy dạng vành xuyến: chế độ dòng chảy vành xuyến có đặc điểm là
màng chất lỏng trải quanh thành ống bao bọc phần lõi khí bên trong chuyển
động với vận tốc cao và trong lõi khí còn có những giọt chất lỏng nhỏ.
SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690
9
Luận văn tốt nghiệp
Lý thuyết dòng chảy đa pha trong đường ống
____________________________________________________________________________
Hình 2.1 – Các chế độ dòng chảy trong đường ống nằm ngang [3]
2.1.2
Các chế độ dòng chảy trong đường ống thẳng đứng
Trong đường ống thẳng đứng, dòng chảy hai pha có thể được phân loại thành
các chế độ dòng chảy như hình 2.2.
Hình 2.2 – Các chế độ dòng chảy trong đường ống thẳng đứng [3]
Chất lỏng có vận tốc thấp thì chất khí được sinh ra trong dầu bị phân tán như các
bọt khí riêng biệt. Chế độ dòng chảy này được gọi là dòng chảy dạng bọt khí.
Từ dòng chảy dạng bọt khí, khi tăng vận tốc dòng chảy của pha khí, các bọt khí sẽ
kết tụ lại với nhau tạo thành bọt khí lớn hơn, dài hơn và có hình dạng nón. Những bọt
SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690
10
Luận văn tốt nghiệp
Lý thuyết dòng chảy đa pha trong đường ống
____________________________________________________________________________
khí này được gọi là bọt khí Taylor. Dòng chảy dạng nút gồm có bọt khí Taylor, bị tách
biệt trong vùng dòng chảy dạng bọt khí được gọi là nút, và một lớp chất lỏng bao xung
quanh bọt khí Taylor có xu hướng chảy xuống. Sự phân bố của các bọt khí Taylor
trong dòng chảy thẳng đứng có tính đối xứng.
Ở dòng chảy dạng khuấy, hay còn được gọi là dòng sủi bọt, các bọt khí và nút khí
trở nên bị biến dạng nhiều và xuất hiện sự hoà 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.
Chế độ dòng chảy vành xuyến có đặc điểm là màng chất lỏng trải quanh thành
ống bao bọc phần lõi khí bên trong chuyển động với vận tốc cao và trong lõi khí còn có
những giọt chất lỏng nhỏ. Dòng chảy đi lên của lớp màng chất lỏng này ngược với
trọng lực là kết quả do lực tác động của lõi khí có vận tốc chuyển động lớn.
2.1.3 Biểu đồ chế độ dòng chảy (Flow regime maps)
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. Nhiều công trình nghiên cứu đã đưa ra các phương pháp khác
nhau nhằm dự báo chế độ dòng chảy của chất lưu trong đường ống. Ở mỗi phương
pháp, các chế độ dòng chảy thường được biểu diễn trên các biểu đồ, hay còn gọi là
“biểu đồ chế độ dòng chảy”.
Thông thường trên biểu đồ, chế độ dòng chảy được xác định dựa vào hai thông
số cơ bản không thứ nguyên là hệ số Froude và hàm lượng thể tích khí β hoặc tỷ phần
lỏng ở điều kiện không trượt λL (No-slip liquid fraction), chúng được biểu diễn trên tọa
độ log – log. Các thông số không thứ nguyên này đặc trưng cho vận tốc của các pha khí
và pha lỏng. Một số phương pháp được sử dụng phổ biến như Beggs & Brill (1973),
Taitel & Dukler (1976).
SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690
11
Luận văn tốt nghiệp
Lý thuyết dòng chảy đa pha trong đường ống
____________________________________________________________________________
Trong phương pháp Beggs & Brill (1973) cho dòng chảy nằm ngang hình 2.3,
tác giả đã dựa vào các nhóm không thứ nguyên Froude, FrM và tỷ phần lỏng ở điều
kiện không trượt λL :
α G vG + α L vL )
(=
2
=
FrM
gD
λL =
vM2
gD
α L vL
α G vG + α L vL
(2.1)
(2.2)
Các chế độ dòng chảy được xác định dựa trên bốn hệ số Froude.
Fr1 = 316λL 0.302
(2.3)
Fr2 = 0.0009252λL 2.4684
(2.4)
Fr3 = 0.10λL −1.4516
(2.5)
Fr4 = 0.5λL −6.738
(2.6)
Chế độ dòng chảy đơn (Segregated) nếu:
λL < 0.01, FrM < Fr1 hoặc λL ≥ 0.01, FrM < Fr2
Chế độ dòng chảy chuyển tiếp (Transient) nếu:
λL ≥ 0.01, Fr2 ≤ FrM ≤ Fr3
Chế độ dòng chảy gián đoạn (Intermittent) nếu:
0.01 ≤ λL < 0.4, Fr3 ≤ FrM < Fr1 hoặc λL ≥ 0.4, Fr3 ≤ FrM ≤ Fr4
Chế độ dòng chảy phân tán (Distributed) nếu:
λL < 0.4, FrM ≥ Fr1 hoặc λL ≥ 0.4, FrM > Fr1
SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690
12
