Đồ án tính toán tổn hao áp suất trên tuyến ống từ rp2 mỏ rồng về giàn cntt số 2 mỏ bạch hổ

Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay đối với nhiều quốc gia, công nghiệp dầu khí đóng một vai trò hết
sức quan trọng, có ảnh hưởng lớn đến nền kinh tế quốc dân. Ở Việt Nam, tập
đoàn dầu khí quốc gia Việt Nam - trong đó xí nghiệp liên doanh Vietso vpetro đóng
vai trò chủ đạo - là một thành phần quan trọng, hàng năm đóng góp đáng kể vào
GDP toàn quốc. Công nghệ khai thác, thu gom và vận chuyển dầu khí tại các mỏ
Bạch Hổ và mỏ Rồng của xí nghiệp đang được vận hành tốt tuy nhiên vẫn còn
một số vấn đề cần được giải quyết.
Điểm đặc trưng của dầu thô Việt Nam là có nhiệt độ đông đặc và hàm
lượng parafin cao, điều này gây ảnh hưởng tới tốc độ dòng chảy, lưu lượng vận
chuyển cũng như tăng chi phí cho quá trình bơm hút dầu. Sự lắng đọng parafin, sự
có mặt đáng kể của chất gây mòn, hàm lượng nước và nhiều tạp chất cơ học gây
ra hàng loạt các vấn đề liên quan đến quá trình vận hành và sự tồn tại c ủa đ ường
ống dẫn dầu.
Xuất phát từ thực tiễn trên và được sự đồng ý của bộ môn em đã chọn đ ề
tài “Tính toán tổn hao áp suất trên tuyến ống từ RP2- mỏ Rồng về giàn
CNTT số 2 mỏ Bạch Hổ”. Đồ án gồm 4 chương:
Chương 1: Dòng chảy của chất lưu trong ống ngang và nhiệm vụ
tính toán công nghệ.
Chương 2: Nhịp độ khai thác và tính chất dầu mỏ Rồng.
Chương 3: Hệ thống ổn định nhiệt trong đường ống dẫn dầu khí.
Chương 4: Tính toán tổn hao áp suất trên tuyến ống RP 2 đến CTP 2.
Mặc dù đã hết sức cố gắng, nhưng do hạn chế về kiến thức và thực tế nên
cuốn đồ án không tránh khỏi những thiếu sót về nội dung và hình thức, vì vậy, em
rất mong nhận được sự góp ý từ thầy cô và các bạn.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ
môn Thiết Bị Dầu Khí và hơn nữa là thầy Lê Đức Vinh đã tận tình hướng dẫn em

hoàn thành cuốn đồ án này.
Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2010

SVTH: Trần Chí Công                                  1

Lớp TBDK – K50


Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí

CHƯƠNG 1
DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU TRONG ỐNG NGANG
VÀ NHIỆM VỤ TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ
1.1. Dòng chảy của chất lưu trong ống
1.1.1 Chất lỏng Newton
Chất lỏng Newton là chất lỏng tuân theo định luật Newton.
Dòng chảy của những chất lỏng tuân theo định luật Newton được
biểu diễn bằng phương trình sau:

τ=
Trong đó:

dν 
F
=µ
d 
;
S

 r 

[2, tr 79]

(1-1)

τ: Ứng suất trượt do lực nhớt gây ra
µ: Độ nhớt động học.

dν
: Gradien vận tốc theo phương r thẳng góc với hướng dòng chảy, S-1
dr

F: Lực nhớt trên bề mặt giữa hai lớp chất lỏng, xác định theo công
thức:

F = µ.s.

dν
;
dr

(1-2)

Với:
S: Diện tích tiếp xúc giữa hai lớp chất lỏng trên đó xảy ra hiện tượng
nội ma sát, (m2)
Từ phương trình (1-1) ta thấy quan hệ giữa ứng suất trượt τ và Gradien vận
tốc

dν
là quan hệ tuyến tính, đường cong chảy là đường thẳng, độ nhớt của chất
dr

lỏng Newton là hệ số góc của đường thẳng này, không phụ thuộc vào Gradien vận
tốc, chỉ phụ thuộc vào loại chất lỏng, nhiệt độ và áp suất.

τ
µ
=

;

(1-3)

dν/ d r

Mô hình dòng chảy chất lỏng Newton được mô tả bằng đường II1, hình 1.1(a)

SVTH: Trần Chí Công                                  2

Lớp TBDK – K50


Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí

1.1.2. Chất lỏng phi Newton
Là chất lỏng có độ nhớt ( µ ) phụ thuộc vào Gradien vận tốc (

dν
)
dr

1.1.2.1. Chất lỏng giả dẻo (mô hình Ostwald)
Chất lỏng giả dẻo có dòng chảy không tuân theo phương trình của Newton,
độ nhớt giảm nhanh khi Gradien vận tốc tăng, chất lỏng có khả năng chảy ngay cả
khi ứng suất trượt rất nhỏ.
Đường cong chảy (đường II2, hình 1.1a) của chất lỏng có xu hướng lồi về
phía trục τ . Chất lỏng có tính chất dị thường đó gọi là giả dẻo. Sự chảy của chất
lỏng này tuân theo mô hình của Ostwald.
n

 dν 
τ =µ' 
d 

 r 
Trong đó:

(1-4)

τ

: Ứng suất trượt,

(Pa).

µ'

: độ nhớt,

(Pa.S).

dν
dr

: Gradien vận tốc , (S-1).

n<1 : hệ số đặc trưng cho mức độ ổn định của chất lỏng.
1.1.2.2. Chất lỏng nhớt dẻo (mô hình Bingham)
Chất lỏng nhớt dẻo là hệ số cấu trúc mà trong đó pha rắn có cấu trúc mạng
tinh thể dày đặc (ví dụ như mạng tinh thể Parafin) chỉ có khả năng tạo dòng chảy
sau khi mạng bị phá vỡ. Sự chảy của loại này bắt đầu sau khi tác dụng lên chúng
một ứng suất trượt lớn hơn ứng suất giới hạn τ o và sau khi bị phá vỡ cấu trúc chất
lỏng chảy theo định luật Newton.
Những chất lỏng đó có tính nhớt – dẻo và dòng chảy tuân theo mô hình của
Bingham.

 dν
 dr

τ =τo + µ' ' 




;


[2, tr81]

(1-5)

Mô hình Bingham được mô tả ở đường I1 (hình 1-1a)

SVTH: Trần Chí Công                                  3

Lớp TBDK – K50


Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí

a)

(b)

Hình 1.1. Các dạng đường cong chảy (a) và sự phụ thuộc của độ nhớt vào
Gradien vận tốc (b).
II1: Chất lỏng Newton :

dν


τ=µ





d r 
n

 dν 
II2: Chất lỏng giả dẻo (mô hình Oswald): τ =µ' 
d 
 , n<1
 r 
dν 
I1: Chất lỏng nhớt dẻo (mô hình Bingham): τ =τo +µ' ' 
d 

 r 
I3, II3: Chất lỏng có độ nhớt tăng dần.
I2. Chất lỏng có độ nhớt giảm dần.
Các nghiên cứu mô hình lưu biến của dầu mỏ chứng minh rằng ở thấp hơn
nhiệt độ đông đặc Parafin, dòng chảy của dầu tuân theo mô hình của Bingham. Sử
dụng mô hình Bingham trong nghiên cứu dầu nhiều Parafin, độ nhớt cao đã được
trình bày trong các công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của
Mizadzanzade, Gubin.
Mô hình tổng quát cho các loại chất lỏng:
n

 dν 
τ =τ o + µ
d 

 r 

(1.6)

Khi τ o = 0, n =1 ta có mô hình Newton.
SVTH: Trần Chí Công                                  4

Lớp TBDK – K50


Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí

Khi τ o =0, ta có mô hình Ostwald
Mô hình Bingham khi n = 1
Qua nghiên cứu tính chất lưu biến của dầu thô ở mỏ Rồng và mỏ Bạch Hổ
nhằm xác định vùng dị thường , độ nhớt là yếu tố quan trọng để xác định vùng mà
ở đó dầu chuyển từ chất lỏng Newton sang chất lỏng phi Newton, đây là yếu t ố
chính gây tổn thất áp suất trong quá trình vận chuyển dầu khí. Ta thấy:
Khi nhiệt độ lớn hơn 400C dầu là chất lỏng Newton, thấp hơn nhiệt độ này
dầu biểu hiện tính phi Newton và khi nhiệt độ càng giảm, tính chất này thể hiện
càng rõ. Ở 220C (nhiệt độ thấp hơn của nước biển ở vùng cận đáy khu vực mỏ
Bạch Hổ và mỏ Rồng) ứng suất trượt đạt giá trị rất lớn.
Bảng 1.1: Ảnh hưởng nhiệt độ đến thông số lưu biến của dầu mỏ Rồng.
Ứng suất trượt ( τ o =0. Pa)
0,100
0,265
0,328
1,050
3,595

Nhiệt độ (T. 0C)
30
28
26
24
22

Hệ số mũ, n
1,0000
0,8121
0,6789
0,5445
0,4867

Bảng 1.2. Ảnh hưởng nhiệt độ đến thông số lưu biến của dầu mỏ Bạch Hổ
Ứng suất trượt (τ o =0. Pa)
0,10
1,35
3,70
5,80
8,90

Nhiệt độ (T. 0C)
30
28
26
24
22

Hệ số mũ, n
0,050
0,112
0,203
0,382
0,659

Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ nhớt có thể xác định bởi công thức tổng
quát:

µ = µ 0 .e − λ (t −t0 )

Trong đó:

[5, tr.30]

µ, µlà trị số của độ nhớt động lực ở các nhiệt độ t và t0, λ
0

là hệ số tỷ lệ, đối với dầu có trị số thay đổi trong khoảng 0,02 – 0,03.
- Đối với dầu mỏ Rồng:
SVTH: Trần Chí Công                                  5

Lớp TBDK – K50


Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí

+ Ở điều kiện nhiệt độ lớn hơn 360C thì dầu mỏ Rồng là chất lỏng Newton,
sự phụ thuộc giữa độ nhớt và nhiệt độ:

µ = e ( −2,0140−0,385.T )

(1-6 a)

+ Ở điều kiện nhiệt độ dưới 350C thì dầu ở mỏ Rồng chuyển sang dạng
nhớt dẻo (mô hình Bingham) sự phụ thuộc giữa độ nhớt dẻo và nhiệt độ:
* Khi nhiệt độ 270C < T < 350C

µ = e ( −0, 3913.T )

(1-6 b)

* Khi nhiệt độ 220C < T < 270C
µ = e ( 6,6678−0,3192.T )

(1-6 c)

+ Sự phụ thuộc giữa ứng suất trượt động và nhiệt độ:
* Khi nhiệt độ 270C < T < 350C

τ d = 1240.103.e(-0,473.T)

(1-6d)

* Khi nhiệt độ 220C < T < 270C

τ d = e(7,0171-0,2194.T)

(1-6e)

+ Sự phụ thuộc giữa ứng suất trượt tĩnh và nhiệt độ:
* Khi nhiệt độ 270C < T < 350C

τ0 = 15,248.106.e(-0,5500.T)

(1-6f)

* Khi nhiệt độ 220C < T < 270C

τ0 = 6156,695.e(-0,2408.T)

(1-6g)

(Các công thức từ 1-6 a đến 1-6 g được xây dựng bằng thực nghiệm trong
phòng thí nghiệm tại xí nghiệp Vietsovpetro).
Từ kết quả thu được đã xác định được dầu thô từ mỏ Rồng bắt đầu thể hiện
dị thường áp suất ở nhiệt độ 350C -390C và tính chất lỏng nhớt – dẻo tuân theo mô
hình Bingham.
Những số liệu ở bảng 1.1 và bảng 1.2 cho thấy dầu mỏ của xí nghiệp liên
doanh “Vietsovpetro” đang khai thác có độ nhớt và nhiệt độ đông đặc cao, đường
ống dẫn dầu nội bộ giữa các giàn và giữa mỏ Rồng và mỏ Bạch Hổ được đặt dưới
đáy biển, và không được bọc lớp cách nhiệt với môi trường xung quanh. Nhiệt độ
trung bình của nước biển ở vùng đáy dao động trong khoảng 24 0C ÷ 260C, vận
chuyển dầu trong những điều kiện như vậy có thể gây nên nguy cơ tắc đường ống

SVTH: Trần Chí Công                                  6

Lớp TBDK – K50


Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí

do dầu bị đông đặc, bởi vậy trước khi vận chuyển dầu thô ta cần cải thiện tính lưu
biến của nó để công việc vận chuyển được thuận lợi.
Từ những kết quả nghiên cứu xử lý dầu bởi hóa phẩm kết hợp với xử lý
nhiệt được tiến hành ở XNLD Vietsovpetro trên máy đo độ nhớt cho kết quả ở
bảng 1.3.
Bảng 1.3. Sự thay đổi độ nhớt của dầu ở mỏ Rồng nhờ xử lý nhiệt và hóa phẩm
Sepaflux 3266 ở 800C.
Nhiệt độ, độ
0
C
40
30
28
26
24
22
20
18
16

Độ nhớt (mPa.S) theo hàm lượng hóa phẩm Sellswim 5X (g/t.dầu)
ở nhiệt độ 800C
0

400
600
800
6
15
14
13
34
26
24
25
40
34
34
32
52
38
36
34
70
58
52
38
95
72
60
55
180
93
74

72
300
160
9
98
510
300
176
160

1.2. Dòng chảy hỗn hợp dầu khí trong ống nằm ngang.
1.2.1. Các kiểu cấu trúc dòng chảy của hỗn hợp dầu khí.
Cấu trúc dòng chảy của hỗn hợp dầu – khí chuyển động theo đường ống
nằm ngang rất đa dạng, phong phú. Trên cơ sở các khảo sát trực quan, các nhà
nghiên cứu đã phân chia ra các dạng cấu trúc dòng chảy của hỗn hợp dầu – khí như
sau:
a. Dòng khí dạng bọt ( hình 1.2.a)
Pha khí trong dòng chảy dạng bọt riêng biệt, được phân tán trong môi
trường dày đặc của chất lỏng. Hàm lượng khí tăng cao ở phần trên của đ ường
ống. Với vận tốc chuyển động cao, chế độ đồng dạng ít tạo thành, kích thước các
bọt khí không thay đổi, không có va đập áp suất.
b. Dòng chảy dạng nút ( hình 1.2.b)
Các pha khí được hợp lại thành các nút riêng biệt hoặc tích lại ở phần trên
của ống. Cấu trúc của dòng chảy dạng nút được trình bày rõ hơn trong phần 1.2.2.
SVTH: Trần Chí Công                                  7

Lớp TBDK – K50


Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí

c. Dòng chảy phân lớp (hình 1.2.c)
Các pha khí và lỏng phân chia hoàn toàn và chuyển động theo lớp: chất lỏng
chảy theo phần dưới ống, khí phía trên. Ranh giới phân chia các pha nhẵn, không có
va đập áp suất.
d. Dòng chảy sóng phân lớp (hình 1.2.d)
Pha lỏng và khí riêng biệt. Trên bề mặt của lớp chất lỏng, quan sát có sóng
lớn. Chế độ như thế xuất hiện từ những dòng chảy phân lớp khi tăng vận tốc
chuyển động của khí, có các va đập áp suất yếu nhưng tần số cao.
e. Dòng chảy sóng với những lớp chắn (hình 1.2e)
Được tạo thành khi tiếp tục tăng vận tốc chuyển động của khí, sóng cao đạt
tới phần trên của ống. Chúng chuyển động với vận tốc lớn và làm ướt toàn bộ bề
mặt của thành ống.
f. Dòng chảy hình khuyên (hình 1.2f)
Các màng chất lỏng có độ dày gần đều nhau bao lấy mặt trong của ống. Khí
chuyển động theo phần giữa, trong đó có các hạt chất lỏng bị bao bọc, cấu trúc
dòng chảy này xảy ra khi tỷ lệ khí vẫn cao, không có mạch đập, cấu trúc này
thường gặp trong các đường ống dẫn khí ngưng tụ.
g. Dòng chảy dạng tán xạ (hình 1.2g)
Trên thành của ống có một lớp mỏng màng chất lỏng, các không gian còn lại
là hỗn hợp khí đồng nhất và chất lỏng phân tán.

Hình 1.2 :Các kiểu cấu trúc phụ thuộc vào tốc độ hỗn hợp và tỷ lệ khí.
SVTH: Trần Chí Công                                  8

Lớp TBDK – K50

Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí

Để dễ hình dung về ranh giới chuyển đổi giữa các pha người ta xây dựng
các dạng biểu đồ (hình 1.3).
Đối với dòng chảy nằm ngang, biểu đồ cấu trúc các chế độ dòng chảy dựa
theo: biểu đồ Baker (hình 1.3a) và biểu đồ cấu trúc theo hàm lượng khí và chỉ số
Froude (hình 1.3b) được sử dụng rộng rãi.
Trên trục tung (hình 1.3a) đặt hệ thức (G/ λ ) trong đó:
G: Tốc độ khối
λ : Hàm số phụ thuộc vào tỷ số giữa tỷ trọng pha, so với nước ở
điều kiện tiêu chuẩn.
Trên hoành độ là hàm số không thứ nguyên (L λ ψ /G) trong đó
L: Lưu lượng chất lỏng.
ψ : Tham số không thứ nguyên phụ thuộc vào giá trị sức căng bề mặt,
độ nhớt động và tỷ trọng của pha lỏng.
Một dạng biểu đồ khác thể hiện trên hình 1.3b, cấu trúc phụ thuộc vào tỷ lệ
khí β và số Froude
ß

100000

6

G/?

2
0,8

6

3

3

10000

5

5

7

1

0,6
7
0,4

1000

4

2
0,2

100

1

4
0,1

1

10

100

1000

10000

0

2

6

4
b

Hình 1.3: Biểu đồ Paker
1. Dòng chảy phân lớp
5. Dòng chảy dạng bọt
2. Dong
̀ chay
̉ song
́ phân lớp

6. Dòng chảy hình khuyên
3. Dòng chảy dạng nút
7. Dòng chảy tán xạ (nhũ tương)
4. Dòng chảy tán xạ
Tất cả các hình dạng cấu trúc chuyển động của hỗn hợp dạng lỏng – khí có
thể được xác định qua hai thông số sau đây:

SVTH: Trần Chí Công                                  9

Lớp TBDK – K50

8


Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí

-

Chuẩn số Froude:

Frhh

-

Hàm lượng thể tích khí :

β=

2
Vhh
=
;
gD

[2, tr 94]

Vk
;
Vk +Vl

(1-8)

4( Vk + Vl )
(vận tốc trung bình của hỗn hợp)
πD 2
D: Đường kính ống dẫn, mm.

Trong đó: Vhh =

(1-7)

(1-9)

Vk , Vl : Lưu lượng của khí và chất lỏng.m3/s.
Khi phân tích và tổng hợp số liệu thực nghiệm đã áp dụng cho chuy ển đ ộng
của hệ thống hydrocarbon trong đường ống, Baker đã chia ra làm 7 hình dạng dòng
chảy khác nhau và đưa ra ở biểu đồ (hình 1.3) để xác định ranh giới tồn tại và thay
đổi của chúng tùy thuộc vào các thông số đã nêu ở trên. Biểu đồ này thông thường

dùng để tính toán đường ống dẫn.
Khi hàm lượng khí trong hỗn hợp nhỏ, ta quan sát thấy chế độ chảy bọt 1 của
dòng hai pha, chế độ này đặc trưng bởi chuyển động của khí ở dạng các bọt riêng
rẽ nằm ở phần bên trên của tiết diện ống nằm ngang. Thực tế phần l ớn kích
thước các bọt đều như nhau, còn vận tốc của chúng thì bằng nhau hoặc nhỏ hơn
vận tốc trung bình của hỗn hợp. Cấu trúc dòng chảy bọt thường bền vững khi hàm
lượng khí nhỏ và giá trị Froude lớn. Khi tăng hàm lượng khí trong dòng chảy và giá
trị Froude, các bọt khí kết tụ với nhau tạo thành nút khí có kiểu kích thước lớn và
thậm chí còn tạo thành pha khí liên tục. Như vậy đã xảy ra quá trình chuyển đổi từ
cấu trúc bọt thành dòng chảy phân lớp hai pha lỏng và khí. Dòng chảy phân lớp này
được giữ nguyên cho tới khi hàm lượng khí đạt tới 0,98 và đồng thời số Froude
tăng tới 9. Đặc điểm đặc trưng cho dòng chảy này là sự chênh lệch lớn giữa vận
tốc các pha. Cấu trúc dòng chảy phân lớp chỉ thấy trong các đường ống dẫn nằm
ngang và các đường ống dốc xuống, còn trong các đường ống nằm dốc lên thì
không nhìn thấy dòng chảy phân lớp. Đối với dạng cấu trúc phân lớp của dòng
chảy trong đường ống nằm ngang, vận tốc pha khí sẽ lớn hơn pha lỏng, còn trong
đường ống dốc xuống thì ngược lại vận tốc pha lỏng sẽ lớn hơn vận tốc pha khí.
Khi duy trì hàm lượng khí trong dòng chảy ở một mức đ ộ nhất đ ịnh và khi
tăng vận tốc chuyển động của hỗn hợp, đối với dòng chảy phân lớp, trên b ề mặt
phân chia các pha sẽ xuất hiện các sóng và chế độ dòng chảy sẽ chuyển dần thành
chế độ chảy sóng 3. Toàn bộ hệ thống sóng trên bề mặt phân pha có thể được chia
SVTH: Trần Chí Công                                  10

Lớp TBDK – K50


Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí

thành ba nhóm tùy thuộc vào các tần số và biên độ: Các sóng nhiễu loạn, sóng gợn
và sóng to.
Các sóng nhiễu loạn có biên độ lớn nhất, chúng có thể che kín một phần
hoặc toàn bộ tiết diện thực của dòng khí. Các sóng to và sóng gợn làm cho bề mặt
phân pha gồ ghề và chúng xác định đặc tính tác động tương hỗ giữa các pha tại bề
mặt phân pha.
Khi tăng đồng thời hàm lượng khí trong hỗn hợp và vận tốc dòng chảy, chế
độ chảy bọt sẽ chuyển thành chế độ chảy nút 4 (hình 1.3 và 1.4). Chế độ này đặc
trưng bởi sự xen kẽ theo thứ tự giữa các nút khí và các nút chất lỏng. Khi tăng hàm
lượng khí thì kích thước các nút khí sẽ tăng lên còn kích thước các nút chất lỏng sẽ
giảm xuống.
Khi tăng vận tốc hỗn hợp, tùy thuộc vào hàm lượng khí mà các nút khí và nút
lỏng sẽ phân chia. Khi hàm lượng khí nhỏ ( β < 0,3 ) thì các nút khí sẽ bị phân hủy
cùng với sự tạo thành một số lượng lớn các bọt, điều này sẽ chuyển tiếp chế độ
cấu trúc nút thành chế độ cấu trúc nút nhũ tương đồng nhất hoặc là chế đ ộ cấu
trúc dòng chảy tán xạ. Chế độ nhũ tương 7 đặc trưng bởi sự phân chia đ ồng đ ều
các bọt khí phân cách nhau bằng những màng chất lỏng mỏng trên thiết diện
đường ỗng dẫn. Khi hàm lượng khí lớn hơn, các nút chất lỏng bị phân chia nhiều
hơn và dẫn tới sự tạo thành hạt chất lỏng. Điều đó sẽ tạo điều kiện thay đổi cấu
trúc dòng chảy từ cấu trúc nút thành cấu trúc phân tán hoặc sóng tán xạ 5. Cấu trúc
nút phân tán đặc trưng cho sự chuyển động xung quanh của các nút khí phân cách
nhau bởi các màng chất lỏng ngăn cách nhỏ. Lúc đó sẽ xảy ra hiện tượng làm giảm
và tăng theo chu kỳ vận tốc dòng chảy và làm cho các nút khí bị phá ra rồi kết hợp
với nhau.
Khi số Froude (Fr) và lưu lượng khí lớn, hỗn hợp lỏng khí sẽ chuyển động ở
chế độ màng – phân tán (dòng chảy hình khuyên) 6 (hình 1.3), lúc đó khí sẽ chuyển
động trong phần tâm của dòng chảy còn chất lỏng sẽ chuyển động ở dạng màng
trên thành ống và ở dạng phân tán trong dòng khí. Chế độ này không đặc trưng cho
hệ thống thu gom đồng thời dầu và khí. Tồn tại ở hai dạng xung động chính:
Xung động vi mô cao tần (biên độ nhỏ) và xung động vĩ mô (biên độ lớn) tần số

thấp.
Xung động vi mô cao tần liên quan tới cấu trúc chuyển động của dòng dầu
khí, phụ thuộc vào vận tốc tần số nút đi qua, các tính chất vật lý c ủa d ầu khí.
Người ta xác định được rằng, khi lực căng bề mặt tại ranh giới dầu – khí giảm thì
SVTH: Trần Chí Công                                  11

Lớp TBDK – K50


Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí

biên độ xung động áp suất giảm đi, mật độ của khí tăng lên cũng làm giảm biên độ
xung động và ngược lại khi tỷ trọng của chất lỏng tăng lên thì biên độ dao động
lại tăng. Độ nhớt của chất lỏng hầu như không có ảnh hưởng tới biên độ xung
động.
Xung động vĩ mô tần số thấp xuất hiện khi có hiện tượng tích tụ chất l ỏng
trong ống dẫn và dòng khí đẩy chất lỏng này theo chu kỳ hoặc gây ra bởi các hiện
tượng khác.
Xung động vĩ mô có biên độ cực đại được quan sát thấy tại vùng cấu trúc nút
phân tán của dòng chảy với các giá trị ( β = 0,7 – 0,95) và Fr = 10 – 100.
Khi tăng Fr hơn 100, biên độ xung động giảm xuống đột ngột là do các pha bị
phá vỡ mạnh mẽ và cấu trúc của dòng chảy chuyển sang dạng nhũ tương hoặc
màng phân tán.
Trong thực tế dòng chảy dạng màng phân tán (khuyên, tán xạ) không tồn tại
trong đường ống dẫn dầu thô. Cấu trúc này chỉ gặp khi vận chuyển khí béo hoặc
khí thiên nhiên tại các mỏ khí ngưng tụ: hàm lượng khí rất cao ( β >0,9) và lưu
lượng chất lỏng không đáng kể.
1.2.2. Cấu trúc dòng chảy dạng nút.

Trong 7 cấu trúc nêu trên thì cấu trúc dòng chảy dạng nút vừa phổ biến vừa
phức tạp. Vì vậy, cấu trúc dòng chảy dạng nút luôn được quan tâm nghiên cứu kỹ
lưỡng nhất.
Những tập chất lỏng khí chuyển động liên tiếp nhau theo dòng chảy dạng
nút trong ống dẫn. Một tập lỏng khí bao gồm (hình 1.4).
o Nút chất lỏng phủ đều theo tiết diện ống dẫn.
o Nút khí chiếm một phần tiết diện và phân bố giữa nút lỏng kế
cận.
o Lớp chất lỏng bám sát thành ống và chuyển động dưới nút khí.
Chiều dài nút chất lỏng và đặc biệt là nút khí thường lớn hơn đường kính
ống nhiều lần.
Trên cơ sở phân tích ảnh chụp ống dẫn trong suốt có chứa chất lỏng cùng
các hạt tương ứng, người ta thu được sơ đồ cấu trúc dòng chảy dạng nút trong ống
dẫn nằm ngang.
Trên hình 1.4 mô tả một lớp lỏng khí chuyển động dọc đường ống từ trái
qua phải với vận tốc u, dễ dàng nhận thấy rằng chuyển động của các nút trong

SVTH: Trần Chí Công                                  12

Lớp TBDK – K50


Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí

chất lỏng trong lớp khí trên phần lớn chiều dài ống là cùng chiều. Nhưng ở đoạn
đầu và cuối của nút lỏng xuất hiện những tuyến ngắn (tuyến trước và tuy ến sau)
của nút, ở đó có dòng chảy phức tạp. Trạng thái của các tuyến đó xác định sự tồn
tại của dòng chảy dạng nút cũng như đặc điểm của nó.

Dòng chảy dạng nút có thể hình dung là kết quả tương tác qua lại của các
nhân tố, thành phần của lớp khí, lỏng. Trong ống dẫn nằm ngang, nút lỏng di
chuyển dưới sự tác động chênh lệch áp suất trong các nút khí kế cận, và lực ma sát
trên thành ống sẽ cản lại sự chuyển động đó. Chất lỏng tách ra từ các tuyến được
chuyển qua tuyến trước vào nút lỏng và chảy qua tuyến sau.

y

2
1

a

h

Huo´ng do`ng cha?
y
D
2

4

3

6

5

U

U

a

1

11

max

a

A

min

12

10

9

8

7

Hình 1.4: Sơ đồ một nút lỏng – khí trên ống nằm ngang
1: Lớp lỏng
2: Nút khí
3 và 5: Ranh giới vùng xoáy của tuyến sau và tuyến trước

4 và 6: Các vùng xoáy của tuyến trước và sau
7 và 9: Tuyến trước và tuyến sau của nút lỏng
8: Nút lỏng
10: Đường chuyển động của các phần chất lỏng ngoài vùng xoáy
11: Ranh giới khí lỏng
12: Thành ống
Tại tuyến sau: Chất lỏng không phân bố đều theo tiết diện ống dẫn (như
trong nút nói trên) mà tạo thành một lớp.
Lớp chất lỏng và nút khí: Nút chất lỏng chuyển động về phía trước, để lại
một lớp chất lỏng sau tuyến sau và trên lớp lỏng là nút khí.
Tại tuyến trước: Cấu trúc tuyến trước tương tự như bước nhảy thủy lực,
phần trước nó gồm có vùng chất lỏng chảy tới (dòng trung chuyển) và vùng chảy
SVTH: Trần Chí Công                                  13

Lớp TBDK – K50


Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí

ngược. Ở tuyến trước, chất lỏng tạo nên dòng trung chuyển chảy từ lớp chất lỏng
vào nút lỏng. (hình 1.4).
1.2.3. Xung đột áp suất trong ống hỗn hợp dầu khí và phương pháp hạn chế.
1.2.3.1. Xung đột áp suất trong vận chuyển hỗn hợp dầu khí
Trong quá trình nghiên cứu và khai thác những hệ thống thu gom và vận
chuyển hỗn hợp dầu khí bằng một đường ống, bên cạnh các ưu điểm còn xuất
hiện hàng loạt nhược điểm. Một trong những nhược điểm đó là xung động, là một
hiện tượng không thể tránh khỏi khi vận chuyển đồng thời trong đường ống hỗn
hợp dầu khí. Nó trước hết liên quan đến quá trình chuyển động không đều của nhũ

tương: dầu – nước – khí trong đường ống; là sự không ổn định của các giếng, các
trạm bơm và do thay đổi hình dạng cấu trúc dòng chảy trong đ ường ống, tạo nên
các nút khí dọc theo chiều dài đường ống, xung động phá vỡ quá trình hoạt động
bình thường của các thiết bị đo, hệ thống thiết bị tự động và dẫn tới s ự quá t ải
của các thiết bị trong hệ thống xử lý dầu. Trong một số trường hợp, chúng còn phá
vỡ đường ống dầu và làm tổn hao dầu khí.
Khi dầu và khí cùng được vận chuyển trong hệ thống thu gom bằng một
đường ống dẫn khí thì sự chuyển động của dòng hai pha chất lỏng – khí khác một
cách căn bản so với chuyển động của dòng chảy một pha và được đặc trưng bởi
các hình dạng cấu trúc khác nhau. Cấu trúc dòng chảy của hỗn hợp chất lỏng – khí
được hiểu như sự phân bố tương hỗ giữa các pha khí và lỏng trong quá trình cùng
chuyển động trong ống.
Sự hiện diện của hai pha không chỉ dẫn đến sự đa dạng của cấu trúc các
dòng chảy mà còn làm thay đổi cấu trúc của nó. Khi hỗn hợp lỏng – khí chuy ển
động trong đường ống thì sự tác động tương hỗ giữa các pha tại ranh giới phân
chia chất lỏng – khí và sự phân chia pha trên tiết diện dòng chảy sẽ có một ý nghĩa
quyết định. Khác hẳn với dòng chảy một pha, ở đây , tại ranh giới về mặt nguyên
lý còn xuất hiện những lực tương hỗ và lực tiếp xúc giữa các pha.
Như vậy, nguyên nhân chính gây nên xung động ngẫu nhiên của dòng chảy
là hiện tượng khí tách ra khỏi hỗn hợp khí lỏng trong đường ống và tạo nên những
nút khí. Những nút khí này sẽ tăng dần theo chiều dài chuyển động của dòng chảy.
Áp suất tuyệt đối trong hệ thống thu gom có ảnh hưởng tới xung động của
dòng chảy dầu – khí. Áp suất này càng lớn thì khí tách ra càng ít và nh ư v ậy xung
động càng nhỏ.
Xung động áp suất được xác định bằng biên độ và tần số:
SVTH: Trần Chí Công                                  14

Lớp TBDK – K50

Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí
A = Pmax - Pmin

ω=

1
T

(1-10)
(1-11)

Trong đó:
A: Biên độ, nghĩa là hiệu số giữa giá trị cực đại và cực tiểu
của áp suất tại điểm đang xét trên ống dẫn;
ω : Tần số dao động áp suất;
T: Chu kỳ dao động áp suất.
Sóng xung động của dòng dầu – khí – nước được truyền theo đ ường ống
với vận tốc âm thanh. Năng lượng các xung động do tác đ ộng l ẫn nhau gi ữa các
dòng chảy và ống dẫn có thể làm cho đường ống, thiết bị và giá đỡ bị dao động.
Tại đoạn đường ống thẳng, xung động của dòng dầu – khí được truy ền đi
theo chu vi ống, do vậy tại nơi đó đường ống dao động không đáng kể.
Dao động của đường ống xuất hiện đáng kể khi có sự cộng hưởng, thậm
chí khi có những lực nhỏ tạo ra bởi sự gồ ghề hoặc tiết diện hình ô van của đường
ống (ví dụ khi có sự lắng đọng cát, muối, parafin …) và có thể xảy ra những dao
động nguy hiểm. Những dao động do xung động của dòng hỗn hợp khí – dầu gây
ra thể hiện rõ rệt tại những điểm mà hướng đường ống thay đổi đột ngột và
những dao động đó cũng gây ra những phản lực đáng kể. Sự phân nhánh ống dẫn
và các thiết bị liên quan tạo thuận lợi cho sự xuất hiện các dao động riêng của từng

đoạn ống riêng rẽ, mà những dao động này rất gần với dao động cộng hưởng.
1.2.3.2. Các biện pháp hạn chế xung động.
a, Lựa chọn áp suất vận chuyển:
Để giảm và khử xung động áp suất, xung động khối lượng trong vận
chuyển hỗn hợp dầu – khí, trên thế giới thường áp dụng phương pháp:
Nâng áp suất vận chuyển lên cao. Khi nâng áp suất vận chuyển lên cao, khí
bị nén lại, mặt khác lượng khí tách ra từ dầu giảm. Như vậy, hàm lượng khí trong
dầu (ở điều kiện áp suất vận chuyển) giảm, dẫn đến những thay đổi cấu trúc
dòng chảy và cuối cùng là xung động về áp suất và khối lượng giảm. Tuy nhiên,
việc giảm áp suất vận chuyển đến giá trị nào là điều cần nghiên cứu.
Khai thác – thu gom – xử lý dầu mỏ cũng như bất kỳ một hệ thống công
nghệ liên hoàn nào khác, khi có tác động đủ mạnh vào một mắt xích của dây
chuyền, sẽ kéo theo phản ứng tương thích trong toàn bộ hệ thống. Trong trường
hợp đó sẽ chuyển sang chế độ làm việc với các thông số thay đổi tương ứng.
SVTH: Trần Chí Công                                  15

Lớp TBDK – K50


Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí

Trong khai thác thu gom và vận chuyển hỗn hợp dầu - khí, sự biến đổi áp
suất của hệ thống thu gom ở một trường hợp nào đó sẽ không ảnh hưởng đến lưu
lượng của giếng. Áp suất phân chia giới hạn đó được gọi là áp suất tới hạn (Pcr) là
lưu lượng của giếng ở điều kiện Pcr và dưới hoặc bằng Pcr là lưu lượng tới hạn
(Qcr).
Vcr =

Pcr
Phh − β

(1-12)

Trong đó:
Vcr : Vận tốc tới hạn (m/s)
Pcr : Áp suất tới hạn (Pa)
Phh : Mật độ hỗn hợp dầu – khí – nước trong điều kiện tới hạn

(kg/m3)
β : Hàm lượng thể tích của khí trong hỗn hợp khí – lỏng (%)

Xác định giá trị của áp suất tới hạn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng từ giá trị
đó người ta xây dựng chế độ làm việc của hệ thống thu gom, vận chuyển hỗn hợp
dầu – khí nhằm tránh những xung động phức tạp và ảnh hưởng xấu đến sản
lượng các giếng dầu.
Đối với hỗn hợp dầu khí các nhà nghiên cứu đã xem xét kỹ càng và áp suất
tới hạn được tính theo công thức:
Pcr =

Q0
P .T .Z
(G − G s )( ρ dch + ρ kch .G ) 0
F
T0

(1-13)

Trong đó:

Q0: Lưu lượng dầu tới hạn (m/m3)
F: Diện tích côn tiết lưu, (m2)
G: Hệ số khí/dầu trong điều kiện tách tiêu chuẩn (m3/m3)
Gs: Lượng khí hòa tan trong dầu ở áp suất (Pa) và nhiệt độ
(0K)
ρ dch : Mật độ của dầu ở điều kiện tiêu chuẩn (kg/m3)
ρ kch : Mật độ của khí ở điều kiện tiêu chuẩn (kg/m3)

T0, P0: Nhiệt độ và áp suất ở điều kiện tiêu chuẩn, T 0 =
293,15 K ; P0 = 0,98.105 Pa
Z: Hệ số nén khí.
0

SVTH: Trần Chí Công                                  16

Lớp TBDK – K50


Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí

Tuy nhiên, xác định giá trị lưu lượng tới hạn Q 0 ở điều kiện tiêu chuẩn thực
tế mỏ ngoài khơi luôn luôn gặp khó khăn. Chẳng hạn, trên một số giàn nhẹ (BK)
không có thiết bị đo lưu lượng nên bắt buộc phải đo sản phẩm trên giàn công nghệ
trung tâm, hoặc có nhưng sau khi đo hỗn hợp dầu – khí vẫn phải đưa về để tách
khí trên giàn công nghệ trung tâm. Trong cả hai trường hợp, giá trị áp suất sau côn
tiết lưu của bất kỳ một giếng nào cũng có thể lớn hơn áp suất tới hạn cần xác
định. Như vậy, giá trị Q0 trong trường hợp này không phải là giá trị lưu lượng tới
hạn. Mặt khác, vấn đề dự đoán, đánh giá nhanh lưu lượng của giếng cũng là bài

toán cần giải. Hiện nay đang tồn tại các công thức tính lưu lượng tới hạn của
Poetman và Beck và các công thức thực nghiệm của Gilbert; Ross; Baxendell;
Achong và của Aussems như sau:
- Công thức của Poetman và Beck:
2 pm
Q = 1,03F
V0 (1 + 0,5 X 0 )

0 , 4513

R1 + 0,766

(1-14)

R1 + 0,663

Trong đó:
Q: Lưu lượng dầu, (m3/s)
F: Tiết diện côn tiết lưu, (m2)
V0: Thể tích dầu trong một đơn vị khối lượng hỗn hợp ở điều
kiện trước côn tiết lưu., V0 =

X0
, (m3/kg)
P0

Với X0 = ρ d /[ ρ d + R1 ρ k T0 Pm / ( TZP0 ) ]
R1: tỉ số giữa thể tích của khí và thể tích của dầu ở điều kiện trước
côn tiết lưu.
Với R1 = P0 ZT ( G − αPm ) / PmT0 , (m3/m3)

G: Hệ số khí dầu ở điều kiện tiêu chuẩn , (m3/m3)
α : Hệ số Henry . (m3/m3) .Mpa
Pm: Áp suất miệng giếng , Mpa
ρ d , ρ k : Mật độ của dầu – khí . (kg/m3)
Z: Hệ số giãn nở khí
T0, P0 : Nhiệt độ và áp suất ở điều kiện tiêu chuẩn , 0C.
- Công thức Gilbert:

SVTH: Trần Chí Công                                  17

Lớp TBDK – K50


Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí

Pm .d c1,89
Q=
10.R 0 , 546

(1-15)

Pm .d c2
Q =
17,4.R 0 , 5

(1-16)

Pm .d c1, 93

Q=
9,56.R 0 , 546

(1-17)

Pm .d c1,88
Q=
3,82.R 0 , 56

(1-18)

- Công thức Ross:

- Công thức Baxebdell:

- Công thức Achong:

- Công thức Aussems:
Pm .d c1, 97
Q =
3,89.R 0 , 68

(1-19)

Trong các công thức trên:
Q: Lưu lượng chất lỏng của giếng, Stb/d
Pm: Áp suất miệng giếng, PSI
Dc: Đường kính côn chết lưu.
-

1
inch
64

R: Hệ số dầu khí, Scf/Stb
Công thức THUC – BICH:
d c2 .Pm
Q = 6,9274
( 73Z + t )G

(1-20)

Trong đó:
Q0: Lưu lượng tới hạn giếng ở điều kiện tiêu chuẩn (m3/ngđ)
Dc: Đường kính côn chiết lưu, (m/m)
Pm: Áp suất miệng, Psi
T: Nhiệt độ miệng giếng , (0C)
G: Hệ số khí dầu , (m3/T)
*. Công thức (1-20) phù hợp với dầu có nhiệt độ cao.
Thay công thức (1-20) vào (1-13) chúng ta dẽ dàng tìm được áp suất tới hạn
(Pcr) của hốn hợp dầu – khí. Để giảm các xung động áp suất dao động l ưu l ượng
trước hết có thể nâng áp suất vận chuyển lên cao. Tuy nhiên phải đảm bảo chế độ
SVTH: Trần Chí Công                                  18

Lớp TBDK – K50


Trường ĐH Mỏ Địa chất

-

Khoa: Dầu Khí

làm việc của hệ thống thu gom vận chuyển dầu – khí, áp suất vận chuyển được
chọn có giá trị áp suất sau côn chiết lưu P s nhỏ hơn áp suất tới hạn Pcr. Trong
trường hợp đó, chế độ làm việc của hệ thống thu gom, vận chuyển dầu khí sẽ
không làm giảm lưu lượng các giếng, ngược lại khi P s> Pcr thì sẽ giảm lưu lượng
giếng.
b/ Lựa chọn thiết bị khử xung phù hợp:
Hiện nay, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm và đưa vào áp dụng những
thiết bị khử xung với những cấu trúc khác nhau như sau:
Hệ thống khử xung của viện dầu Tactar
Hệ thống khử xung của Trường ĐH Dầu Mỏ Groznưi
Viện xử lý và vận chuyển dầu (L.B Nga) đưa ra cấu trúc hệ khử xung nằm
ngang….
c/ Giảm bớt khí trong quá trình vận chuyển hỗn hợp:
Trong mục 1.2.1 và 1.2.3 đã trình bày nguyên nhân chủ yếu gây nên các xung
động liên quan đến dòng chảy của cấu trúc dạng nút, dạng sóng có màng chắn. Vì
vậy, để giảm xung động phải có các giải pháp làm thay đổi thông số của chế độ
dòng chảy dạng nút, dạng sóng với màng chắn thành chế độ bọt, chảy phân lớp,
chế độ màng phân tán (hình khuyên) hoặc phân tán. Giải pháp chủ yếu là thay đ ổi
hàm lượng khí có trong hỗn hợp và thay đổi vận tốc chuyển động.
Chuyển dòng chảy từ dạng nút sang màng phân tán, hoặc phân tán có thể
đạt được bằng cách tăng hàm lượng khí nhờ nạp vào dòng chảy thêm khí, hoặc khí
trơ, hoặc thay đổi tiết diện ngang từng ống trên từng đoạn. Trong thực tế, việc
thay đổi tiết diện ống theo từng đoạn rất khó thực hiện vì l ưu l ượng dầu – khí
luôn biến đổi theo thời gian. Thay đổi chế độ dòng chảy bằng nạp thêm khí sẽ làm
tăng tổn hao áp lực vận chuyển, giảm công suất ống, giảm lưu lượng giếng.
Chuyển dòng chảy từ dạng nút sóng với lớp chắn sang dạng chảy bọt hoặc
chảy lớp có thể thực hiện được trên các BK, giàn khai thác cố định ở các khu mỏ

khai thác tại thềm lục địa (Bạch Hổ) bằng cách tách bớt khí khỏi hỗn hợp trước
khi vận chuyển và trong khi vận chuyển.
Ngoài ra, để giảm xung còn có biện pháp định kỳ rửa ống, giảm lượng lắng
đọng Parafin, chất bẩn cơ học trong đường ống vận chuyển dầu và khí.

SVTH: Trần Chí Công                                  19

Lớp TBDK – K50


Trường ĐH Mỏ Địa chất

Khoa: Dầu Khí

1.3. Nhiệm vụ tính toán công nghệ.
1.3.1. Tính toán bền cho đường ống
Chúng ta phải xác định được ngoại lực tác động lên đường ống khi làm việc
rồi chọn vật liệu và bề dày thích hợp để ống làm việc an toàn.
Khi làm việc, ống sẽ chịu kéo nén do trọng lượng bản thân, do áp suất bơm,
chịu áp suất của chất lưu và các ống ngầm còn chịu áp suất ngoài do nước biển,
đất đá, các ngoại lực do biến đổi nhiệt độ, các mạch đập áp suất. Tuy nhiên, ống
dẫn được xem như là ống nằm ngang nên tải trọng kéo nén do trọng l ượng bản
thân có thể bỏ qua.
1.3.1.1. Tải trọng do áp suất trong ống
Là tải trọng quan trọng nhất đối với ống vận chuyển. Để tính ứng suất do
áp suất trong gây ra, người ta thường dùng công thức Barlow cho tất cả các loại
vật liệu và các ống có quy chuẩn khác nhau:
P .D
σ= i e
(1-21)

2δ
Trong đó:
σ : Ứng suất theo chu vi ống;
Pi : Áp suất trong, KG/cm2;
De : Đường kính ngoài ống, cm;
δ : Bề dày định mức của thành ống, cm.
Nếu xem σ 0 là giới hạn chảy đối với vỡ ống, thì áp suất gây vỡ sẽ là:

Pv =

2σ0 .S
De

- Khi tính toán phải kể đến các hệ số an toàn mà trước hết là an toàn do chế
tạo, thường chấp nhận hệ số 0,875 và ngoài ra phải tính toán đến sai số khi thiết
kế với hệ số 0,72 do đó:
 2σ0 .δ 

Pv =0,72 x 0,875
 D

e


Hoặc bề dày an toàn của ống phải là:
Pv .De
δ=
2 x 0,72 x 0,875 xσ0

SVTH: Trần Chí Công                                  20

(1-22)

(1-23)

Lớp TBDK – K50