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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

THẬP MINH THƯ

TÍNH TỐN ĐẢM BẢO DỊNG CHẢY TRONG
Q TRÌNH VẬN CHUYỂN SẢN PHẨM KHAI
THÁC TỪ GIÀN X2-WHP VỀ X1-CPP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Khoan Khai Thác và Cơng Nghệ Dầu Khí
Mã số: 10370650

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2014


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Mai Cao Lân – Chủ nhiệm bộ môn Khoan Khai Thác Dầu Khí
Chữ ký:

Cán bộ chấm nhận xét 1 :................................................................................................................
Chữ ký:

Cán bộ chấm nhận xét 2 :................................................................................................................
Chữ ký:
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM
ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ...............................................................................................................................................
2. ...............................................................................................................................................

3. ...............................................................................................................................................
4. ...............................................................................................................................................
5. ...............................................................................................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi
luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Thập Minh Thư

MSHV: 10370650

Ngày, tháng, năm sinh: 16/09/1985

Nơi sinh: Ninh Thuận

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

TÊN ĐỀ TÀI: TÍNH TỐN ĐẢM BẢO DỊNG CHẢY TRONG QUÁ TRÌNH VẬN
CHUYỂN SẢN PHẨM KHAI THÁC TỪ X2-WHP ĐỄN X1-CPP
I. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

-

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

-

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

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/01/2014
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/07/2014
IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. Mai Cao Lân – Chủ nhiệm Bộ Môn Khoan Khai Thác, Khoa
Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM.
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2014
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT & DẦU KHÍ


LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh dưới
sự hướng dẫn khoa học của TS. Mai Cao Lân – Chủ nhiệm Bộ môn Khoan Khai thác,
khoa Kỹ thuật Địa Chất & Dầu Khí, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.

Xin chân thành cảm ơn TS. Mai Cao Lân đã dành thời gian, cơng sức hướng dẫn
tận tình, chu đáo tơi trong suốt q trình làm Luận văn tốt nghiệp cũng như khoảng thời
gian tơi học chương trình đại học và cao học tại trường Đại học Bách Khoa.
Trong quá trình làm luận văn, tơi đã nhận được sự đóng góp ý kiến, giúp đỡ nhiệt
tình của các giảng viên, cán bộ Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí, Phòng Đào tạo sau
đại học trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân
thành đối với sự giúp đỡ quý báo đó.
Luận văn này sẽ khơng thể hồn thành nếu khơng có sự động viên, khích lệ của
gia đình, các bạn bè, đồng nghiệp cũng như các học viên cao học khoá 2010 chuyên
ngành Kỹ thuật Khoan khai thác và Công nghệ Dầu Khí. Tơi chân thành cảm ơn các anh
chị đồng nghiệp tại Tổng cơng ty Thăm Dị Khai Thác Dầu Khí – PVEP đã hỗ trợ tài liệu
tham khảo và góp ý nhiệt tình trong suốt q trình thực hiện luận văn.
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, song chắc chắn luận văn vẫn cịn thiếu sót, tơi mong
nhận được sự góp ý để bản luận văn được hồn chỉnh và có hiệu quả thực tiễn tốt hơn.
Xin cảm ơn!

TP.HCM, ngày 11 tháng 07 năm 2014
Thập Minh Thư


Luận văn thạc sĩ

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay, việc kết nối hệ thống các đường ống vận chuyển dầu khí nội mỏ hoặc mỏ cận biên
là một trong những phương án phát triển được đánh giá cao về hiệu quả kinh tế đạt được. Tuy
nhiên, nhiều rủi ro luôn tồn ẩn trong quá trình vận chuyển sản phẩm khai thác bằng đường ống
ngầm đặt dưới biển. Đặc biệt đối với những đường ống ngầm dài hàng chục kilomet. Do đó,
trong luận này, giải pháp đảm bảo ổn định dòng chảy trong quá trình vận chuyển sản phẩm khai
thác trong đường ống ngầm dưới biển được thực hiện nhằm đảm bảo an tồn, hiệu quả vận hành
và giảm thiểu chi phí.

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

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

-

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

-

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

-

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

Dựa trên các phương pháp phân tích mơ hình, kết quả đạt được sau q trình mơ phỏng như
sau:
-

Trên kết quả phân tích thủy lực xác định được kích thước đường ống là 10” inch để vận

chuyển sản phẩm khai thác từ giàn X2-WHP về X1-CPP.

-

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

-

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

HVTH: Thập Minh Thư

1


Luận văn thạc sĩ
sản phẩm khai thác đến CPP và xác định các thông số cho Slug Catcher để bắt các cục
chất lỏng này.
Trên cơ sở phân tích và đánh giá kết quả, đề xuất phương án vận chuyển hợp lý nhằm giảm
thiểu rủi ro và tiết kiệm chi phí xử lý.

HVTH: Thập Minh Thư

2

Luận văn thạc sĩ

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ MỎ X – BỒN TRŨNG CỬU LONG

1.1.

Giới thiệu tổng quan về mỏ X: .................................................................................... 14

1.2.

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

1.2.1.

Phương án phát triển ............................................................................................... 16

1.2.2.

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

1.3.

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

1.3.1.

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

1.3.2.

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

1.3.3.

Dữ liệu về đường ống khai thác .............................................................................. 19

1.3.4.

Dữ liệu về điều kiện khí hậu thủy văn .................................................................... 21

1.3.5.

Các điều kiện ràng buộc.......................................................................................... 22

CHƯƠNG 2.
2.1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TỐN ĐƯỜNG ỐNG VẬN CHUYỂN
DẦU KHÍ ĐA PHA

Các khái niệm cơ bản về dòng chảy đa pha ............................................................... 23

2.1.1

Các chế độ dòng chảy của dòng .............................................................................. 23

2.1.2

Biểu đồ chế độ dòng chảy của dòng ....................................................................... 27

2.1.3

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

2.1.4

Trở lực của đường ống đa pha ................................................................................ 31

2.2

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

2.2.1

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

2.2.2

Các vấn đề liên quan ở nhiệt độ thấp ...................................................................... 38

2.3

Thiết kế đường ống dẫn dầu........................................................................................ 38

2.3.1

Tiêu chuẩn thiết kế .................................................................................................. 38

2.3.2

Tổn thất áp suất ....................................................................................................... 38

2.3.3

Giới hạn vận tốc ...................................................................................................... 39

HVTH: Thập Minh Thư

3


Luận văn thạc sĩ
CHƯƠNG 3.
3.1

MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ
BẰNG ĐƯỜNG ỐNG ĐA PHA

Sự hình thành Wax và Asphaltene ............................................................................. 42

3.1.1

Định nghĩa............................................................................................................... 42

3.1.2

Sự hình thành Wax.................................................................................................. 42

3.1.3

Sự tích tụ Wax ........................................................................................................ 43

3.1.4

Các biện pháp xử lý Wax ........................................................................................ 44

3.2

Sự ăn mòn đường ống .................................................................................................. 44

3.2.1

Ăn mịn bên trong đường ống ................................................................................. 44

3.2.2

Ăn mịn bên ngồi đường ống................................................................................. 46

3.3

Sự hình thành nút lỏng (Slug) ..................................................................................... 48

3.3.1

Định nghĩa............................................................................................................... 48

3.3.2

Các vấn đề do nút lỏng gây ra ................................................................................. 49

3.3.3

Các dạng nút lỏng ................................................................................................... 49

3.3.4

Slug Catcher ............................................................................................................ 53

CHƯƠNG 4.
4.1

TÍNH TỐN BẢO ĐẢM DỊNG CHẢY TỪ GIÀN X2-WHP VỀ X1CPP Ở MỎ X

Phân tích thủy lực ........................................................................................................ 57

4.1.1

Kết quả mơ phỏng : ................................................................................................. 58

4.1.2

Phân tích kết quả ..................................................................................................... 63

4.2

Phân tích nhiệt .............................................................................................................. 65

4.2.1

Kết quả mơ phỏng ................................................................................................... 65

4.2.2

Phân tích kết quả ..................................................................................................... 67

4.2.3

Tính tốn lớp cách nhiệt cho đường ống ................................................................ 67

4.3

Phân tích thủy lực- nhiệt tức thời .............................................................................. 69

4.3.1

Phân tích thời gian dừng khai thác.......................................................................... 69

4.3.2

Tính tốn áp xuất khởi động (phá Gel) sau khi dừng khai thác .............................. 72

4.3.3

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

HVTH: Thập Minh Thư

4


Luận văn thạc sĩ

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Phương án phát triển khu vực Tây Nam ....................................................................... 16
Hình 1-2. Giản đồ pha của dầu ở khu vực Tây Nam .................................................................... 18
Hình 1-3. Biểu đồ dự báo sản lượng khai thác ở khu vực Tây Nam ............................................ 19
Hình 1-4. Địa hình tuyến ống vận chuyển sản phẩm từ giàn X2-WHP đến X1-CPP [24] ........... 20
Hình 2-1. Chế độ dịng chảy trong đường ống nằm ngang ........................................................... 24
Hình 2-2. Chế độ dịng chảy trong đường ống nằm ngang ........................................................... 24
Hình 2-3. Biểu đồ chế độ dòng chảy trong ống ngang ................................................................. 27
Hình 2-4. Biểu đồ chế độ dịng chảy trong ống đứng ................................................................... 28
Hình 2-5: Mặt cắt ngang của một đường ống dẫn ........................................................................ 33
Hình 2-6. Dẫn nhiệt qua thành ống ............................................................................................... 33
Hình 2-7. Giản đồ Moody [13] ..................................................................................................... 36
Hình 3-1. Biểu đồ quan hệ nhiệt độ - áp suất của sự hình thành wax........................................... 43
Hình 3-2. Ảnh hưởng của áp suất hệ và nồng độ CO2 đến tốc độ ăn mịn................................... 45
Hình 3-3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và pH đến tốc độ ăn mịn ...................................................... 45
Hình 3-4. Ăn mịn điện hóa đường ống [20]................................................................................. 47
Hình 3-5. Bảo vệ cathode bằng Mg [20]....................................................................................... 47
Hình 3-6. Bảo vệ cathode bằng dịng áp đặt [20] ......................................................................... 48
Hình 3-7. Dịng chảy nút lỏng trong ống ngang và đứng ............................................................. 48
Hình 3-8. Nút lỏng hình thành do thủy động ................................................................................ 49
Hình 3-9. Nút lỏng hình thành do địa hình ................................................................................... 50
Hình 3-10. Các giai đoạn hình thành nút lỏng trong hệ pipeline – riser ....................................... 51
Hình 3-11. Vị trí của Slug Catcher trong hệ thống khai thác ....................................................... 54
Hình 3-12. Slug Catcher kết hợp với bình tách ............................................................................ 54
Hình 3-13. Hai loại Slug Catcher thơng dụng: Finger (trái) và Vessel (loại đứng) ...................... 55

Hình 4-1. Cấu hình áp suất trong trường hợp 1 ............................................................................ 58
Hình 4-2. Cấu hình áp suất trong trường hợp 2 ............................................................................ 59
Hình 4-3. Cấu hình nhiệt độ trong trường hợp 1 .......................................................................... 60
Hình 4-4. Cấu hình nhiệt độ trong trường hợp 2 .......................................................................... 60
Hình 4-5. Lưu lượng chất lỏng đến CPP trong trường hợp 1 ....................................................... 61
Hình 4-6. Lưu lượng chất lỏng đến CPP trong trường hợp 2 ....................................................... 61
Hình 4-7. Tỷ số vận tốc ăn mòn trong trường hợp 1 .................................................................... 62
Hình 4-8. Tỷ số vận tốc ăn mịn trong trường hợp 2 .................................................................... 63
Hình 4-9. Áp suất tại X1-WHP với các giá trị U=0,25; 0,5; 0,75 Btu/ft2.hr.oF ........................... 66
Hình 4-10. Nhiệt độ đến X1-CPP với các giá trị U=0,25; 0,5; 0,75 Btu/ft2.hr.oF........................ 66
Hình 4-11. Mặt cắt ngang một ống dẫn điển hình với các lớp cách nhiệt .................................... 68
Hình 4-12. Cấu hình nhiệt độ với quá trình dừng khai thác 150 giờ trong trường hợp 1 ............. 71
Hình 4-13. Cấu hình nhiệt độ với quá trình dừng khai thác 150 giờ trong trường hợp 2 ............. 71
Hình 4-14. Liquid Holdup với quá trình dừng khai thác 150 giờ trong trường hợp 1 .................. 73
Hình 4-15. Liquid Holdup với quá trình dừng khai thác 150 giờ trong trường hợp 2 .................. 74
HVTH: Thập Minh Thư

5


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

HVTH: Thập Minh Thư

6

Luận văn thạc sĩ

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1-1. Công suất xử lý của giàn công nghệ trung tâm X1-CPP [24] ...................................... 14
Bảng 1-2. Thông số thiết kế X2-WHP [5] .................................................................................... 17
Bảng 1-3. Thông số về đường ống cần khảo sát ........................................................................... 20
Bảng 1-4. Tính chất của vật liệu [11] ........................................................................................... 21
Bảng 1-5. Dữ liệu về môi trường tại khu vưc mỏ X [24] ............................................................. 21
Bảng 1-6. Các điều kiện ràng buộc [24] ...................................................................................... 22
Bảng 2-1. Ảnh hưởng của các thông số vận hành chính đến Liquid Holdup ............................... 30
Bảng 2-2. Giá trị C và m theo Re.................................................................................................. 37
Bảng 2-3. Ảnh hưởng của các thơng số đến chế độ dịng chảy .................................................... 40
Bảng 2-4. Các mơ hình thực nghiệm có thể thay thế Olga ........................................................... 41
Bảng 3-1. So sánh hai loại Slug Catcher....................................................................................... 55
Bảng 4-1. Các trường hợp khai thác cần phân tích thủy lực ......................................................... 57
Bảng 4-2. Áp suất ngược tại X2-WHP và nhiệt độ tại X1-CPP ................................................... 63
Bảng 4-3. Hàm lượng chất lỏng trong đường ống và lưu lượng chất lỏng đến CPP .................... 63
Bảng 4-4. Trường hợp khai thác lựa chọn để phân tích nhiệt ....................................................... 65
Bảng 4-5. Kết quả phân tích nhiệt cho đường ống 10 inch .......................................................... 67
Bảng 4-6. Kết quả tính tốn lớp cách nhiệt cho đường ống ......................................................... 69
Bảng 4-7. Các trường hợp khai thác để phân tích thời gian dừng khai thác ................................. 70
Bảng 4-8. Lưu lượng các mỏ khác đến CPP và POR hữu dụng [5] ............................................. 75
Bảng 4-9. Các trường hợp khai thác để phân tích sự hình thành nút lỏng .................................... 76

HVTH: Thập Minh Thư

7


Luận văn thạc sĩ

DANH SÁCH CÁC PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Thành phần cấu tử của chất lưu ở mỏ khu vực Tây Nam mỏ X .................................. 83
Phụ lục 2: Thành phần khí Gas Lift .............................................................................................. 84
Phụ lục 3: Dự báo sản lượng khai thác ở khu vực Tây Nam mỏ X .............................................. 85
Phụ lục 4: Áp suất ngược tại X2-WHP với đường ống 8, 10, 12 inch ......................................... 89
Phụ lục 5: Nhiệt độ đến CPP với đường ống 8, 10, 12 inch ......................................................... 91
Phụ lục 6: Tỷ số ăn mòn vận tốc với đường 8, 10, 12 inch .......................................................... 93
Phụ lục 7: Nhiệt độ đến X1-CPP với các giá trị U=0,25; 0,5; 0,75 Btu/ft2.hr.oF ........................ 95
Phụ lục 8: Tính tốn lớp bọc cách nhiệt cho đường ống 10 inch với U=0.25 Btu/ft2.hr.oF ........ 97
Phụ lục 9: Tổng hàm lượng chất lỏng trong đường ống ............................................................... 98
Phụ lục 10: Vận tốc chất lỏng trong đường ống từ X2-WHP đến X1-CPP .................................. 99

HVTH: Thập Minh Thư

8


Luận văn thạc sĩ

DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT
Cooldown Time: thời gian nhiệt độ của dầu giảm xuống dưới điểm chảy (Pour Point) sau quá
trình dừng khai thác.
Erosional Velocity: vận tốc mài mòn, vận tốc tối đa cho phép khi thiết kế ống để tránh hiện
tượng mài mòn do các chất rắn trong dầu di chuyển với vận tốc cao.
Gel Strength, Pa: đại lượng đặc trưng cho độ bền của gel.
Gel: Wax hình thành khi nhiệt độ dầu xuống dưới nhiệt độ hình thành wax (WAT) làm độ nhớt
của dầu tăng cao và gây khó khăn khi khởi động lại hệ thống sau quá trình dừng khai thác.
GOR, scf/bbl: Tỷ số thể tích khí/dầu, quy về điều kiện chuẩn (14.7 psia, 60 oF).
Liquid Holdup: Phần trăm diện tích của lưu chất trên diện tích đường ống tại một mặt cắt cho

trước.
Pigging: q trình phóng con thoi để loại bỏ wax/hydrate/chất tích tụ hoặc kiểm tra tình trạng
đường ống.
POR (Pump-Out Rate): Tốc độ giải phóng chất lỏng của Slug Catcher.
Pour Point: Điểm chảy, nhiệt độ thấp nhất mà dầu vẫn cịn tính lưu biến (vẫn cịn chảy được khi
úp ngược bình trong vịng 5 giây theo phương pháp đo ATSM D97).
Slug Catcher: thiết bị đặt tại đầu ra của ống, thường kết hợp với thiết bị tách, để xử lý nút lỏng
mà không gây xáo trộn các thông số vận hành của hệ thống công nghệ.
Slugging: Chế độ chảy gián đoạn trong đường ống, gồm các nút lỏng (slug) và các túi khí xen kẽ
nhau.
Surge Volume: Thể tích tràn, xảy ra khi cục nút lỏng đi đến Slug Catcher với lưu lượng đến lớn
hơn POR.
Terrain Slug: nút lỏng sinh ra do địa hình (do thay đổi độ dốc của đường ống).

HVTH: Thập Minh Thư

9


Luận văn thạc sĩ
WAT (Wax Appearance Temperature): Nhiệt độ tinh thể sáp bắt đầu hình thành và tách ra, đơi
khi còn gọi là điểm vẫn đục (Cloud Point), theo phương pháp đo ASTM D2500. Các phương
pháp đo có độ chính xác cao hơn bao gồm: CPM (Crosspolar Microscope), DSC (Differential
Scanning Calorimeter) trong đó phương pháp đo bằng CPM có độ chính xác cao nhất.
Water Cut, %: phần thể tích nước trong pha lỏng (dầu + nước) ở điều kiện chuẩn.
Wax: những alkane mạch dài và thẳng trong dầu thô. Khi nhiệt độ giảm, những hợp chất này sẽ
tách khỏi dầu tạo thành tinh thể sáp tích tụ trên thành ống hoặc gây tắc ống.

HVTH: Thập Minh Thư

10


Luận văn thạc sĩ

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay nghành cơng nghiệp dầu khí ở nước ta phát triển mạnh mẽ góp phần rất lớn vào
cơng cuộc xây dựng đất nước. hiều mỏ dầu khí có trữ lượng lớn đ được phát hiện và khai thác.
ên cạnh đó chúng ta vẫn đang tích cực tìm kiếm và phát triển nhiều mỏ mới đặc biệt là những
mỏ nhỏ/cận biên. Đặc điểm của những mỏ này là có có trữ lượng thu hồi thấp và khó có khả
năng phát triển độc lập. Trong các trường hợp này, phương án phát triển bằng kết nối với các mỏ
hiện có thường được lựa chọn do khả năng cho hiệu quả kinh tế cao hơn phương án phát triển
độc lập. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất trong phương án phát triển kết nối đó là việc vận chuyển
dầu khí sao cho đảm bảo an tồn trong suốt q trình vận hành.
Vì thế, việc tính tốn để đảm bảo ổn định dịng chảy trong suốt quá trình vận chuyển trong
khu vực nội mỏ cũng như kết nối các mỏ lân cận là rất quan trọng. Vì trong q trình vận chuyển
nếu khơng có sự tính tốn hợp lý thì gây ra sự thành tạo hydrate, para in, asphaltene, ăn mòn…
gây tắc nghẽn đường ống ảnh hưởng đến khai thác dầu khí. Với những l do trên tác giả lựa chọn
đề tài

s n phẩm khai thác từ giàn

X2-WHP về giàn X1-CPP”.
iệc tính tốn này dựa trên đặc điểm khu vực mỏ, đặc tính của đường ống, tính chất hóa l
của dầu khí, sản lượng khai thác.
2. Mục đích và nội dung nghiên cứu
Mục đích của nghiên cứu là đề xuất phương án vận chuyển sản phẩm khai thác từ giàn X2WHP đến X1-CPP nhằm đảm bảo vận hành an toàn và hiệu kinh quả kinh tế.
Nội dung nghiên cứu bao gồm:
-

Thu nhập số liệu đầu vào phục vụ cho nghiên cứu

-

Xác định kích thước của đường ống vận chuyển

-

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

-

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

-

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

HVTH: Thập Minh Thư

11


Luận văn thạc sĩ
-

Phân tích sự hình thành nút lỏng trong q trình vận chuyển và xác định thơng số thiết kế

cho Slug Catcher.

3. Phương pháp nghiên cứu
Dựa vào số liệu đầu vào thu nhập được, nghiên cứu và đánh giá các thơng số:
-

Thành phần và tính chất chất lưu

-

Lưu lượng khai thác

-

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

-

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

-

Điều kiện địa l địa hình đáy biển

-

Các tính chất của mơi trường xung quanh

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

-

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

-

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

-

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

4. Cơ sở tài liệu luận văn
Luận văn được xây dựng trên cơ sở tài liệu phát triển mỏ, các dữ liệu khai thác và các tài liệu
liên quan ở mỏ X.
Các tài liệu hướng dẫn ứng dụng phần mềm OLGA và PVTSim
Bài giảng, giáo trình, các báo cáo liên quan đến vấn đề về đảm bảo dòng chảy, dòng chảy đa
pha trong đường ống, các mơ hình tính tốn.
Các bài báo SPE liên quan đến nội dung luận văn

HVTH: Thập Minh Thư

12


Luận văn thạc sĩ
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn
Ý nghĩa khoa học: Luận văn giải quyết vấn đề vận chuyển dầu khí an tồn ở khu vực mỏ X,

tổng hợp các nền tảng lý thuyết về đảm bảo ổn định dòng chảy làm cơ sở cho việc nghiên cứu
sau này.
Ý nghĩa thực tiễn: Thông qua việc tính tốn vận chuyển ở khu vực mỏ X. Luận văn góp phần
vào việc nghiên cứu vận chuyển dầu khí an tồn trong khu vực nội mỏ cũng như kết nối giữa các
mỏ với nhau trong tương lai.
6. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm 4 chương chính sau:
Chương 1 giới thiệu tổng quan về mỏ X và khu vực Tây Nam mỏ X như vị trí địa lý, hệ
thống thiết bị khai thác bề mặt theo thiết kế và sản lượng của mỏ.

goài ra, trong chương này

cũng sẽ trình bày các dữ liệu về địa hình đường ống, các dữ liệu về khí hậu thủy văn, các thơng
số về công nghệ như áp suất, nhiệt độ…
Chương 2 sẽ trình bày về cơ sở lý thuyết cho tính tốn vận chuyển bằng đường ống đa pha.
Chương này sẽ giới thiệu tổng qt về dịng chảy đa pha, các tính chất cơ bản của chất lưu vận
chuyển trong đường ống. Trong chương này cũng sẽ trình bày các tiêu chuẩn khi thiết kế đường
ống dẫn dầu, các vấn đề liên quan đến truyền nhiệt cũng như tính tốn lớp bọc cách nhiệt và giới
thiệu khai quát về đảm bảo ổn định dịng chảy.
Chương 3 sẽ trình bày các vấn đề thường xảy ra trong q trình vận chuyển dầu khí như sự
hình thành paraffin, sự ăn mịn đường ống và sự hình thành nút chất lỏng.
Chương 4 sẽ trình bày chi tiết tính tốn đảm bảo dịng chảy từ giàn X2-WHP về X1-CPP,
bao gồm việc lựa chọn đường ống, tính tốn lớp bọc cách nhiệt, phân tích thời gian dừng khai
thác, tính tốn áp suất khởi động và phân tích sự hình thành nút chất lỏng.

HVTH: Thập Minh Thư

13

Luận văn thạc sĩ

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ MỎ X – BỒN TRŨNG CỬU LONG

1.1.Giới thiệu tổng quan về mỏ X:
Mỏ X thuộc bồn trũng Cửu Long cách TP HCM 180km về phía Đơng

am. Mỏ cho dịng

dầu đầu tiên vào năm 2005 sau 4 năm phát triển với phương án phát triển của mỏ là xây dựng
một giàn công nghệ xử lý trung tâm X1-CPP và một tàu chứa dầu FSO.
Hiện tại, sản phẩm khai thác từ mỏ X và các mỏ khác chuyển về được xử lý tại giàn công
nghệ xử l trung tâm, sau đó dầu sản phẩm được chuyển qua tàu chứa, khí được xuất về bờ và
nước sau khi được xử l đạt chuẩn được thải trực tiếp ra biển. Các giếng trên mỏ được cung cấp
gaslift từ cụm máy nén trên giàn Trung Tâm X1-CPP, ngoài ra, trong tương lai sẽ cung cấp nước
bơm ép cho mỏ.
Ngồi ra, giàn cơng nghệ trung tâm X1-CPP cịn đảm nhận xử lý sản phẩm, cung cấp khí nén
và nước bơm ép cho các mỏ khác.
Sản lượng khai thác của mỏ hiện nay đạt 10,000 thùng/ngày.
Hệ thống thiết bị chính trên mỏ X bao gồm giàn công nghệ xử lý trung tâm X1-CPP và một
tàu chứa dầu (FSO). Giàn công nghệ xử lý trung tâm đảm nhận xử lý sản phẩm khai thác của mỏ
X và một phần sản phẩm của các mỏ khác chuyển về. Dầu sau khi được xử l được vận chuyển
về tàu chứa FSO thông qua hệ thống đường ống nội mỏ.
Công suất thiết kế xử lý của giàn công nghệ trung tâm mỏ X được thể hiện tại Bảng 1-1.
Bảng 1-1. Công suất xử lý của giàn công nghệ trung tâm X1-CPP [24]
Hệ thống

Công suất thiết kế

Dầu khai thác (thùng/ngày)

100,000

Tổng lượng chất lỏng khai thác (thùng/ngày)

175,000

ước khai thác (thùng/ngày)

130,000

ước bơm ép (thùng/ngày)

225,000

Hệ thống nén khí (triệu bộ khí/ngày)

160

Xử lý khí (triệu bộ khí/ngày)

160

Hệ thống nén khí thấp áp (triệu bộ khí/ngày)

10.6

Hệ thống chuyển dầu thành phẩm (thùng/ngày)

HVTH: Thập Minh Thư

95,000

14


Luận văn thạc sĩ
Hệ thống xử lý dầu: Sản phẩm khai thác được từ mỏ X và từ các mỏ khác được vận

i)

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

ii)

tách thành dầu, khí và nước. Khí sau khi được tách ra từ bình tách cao áp sẽ được đi
qua hệ thống xử l khí để đạt chuẩn làm khí nén, khí nhiên liệu và khí xuất. Hệ thống
xử l khí như sau: hệ thống làm mát khí, hệ thống máy nén tăng áp, hệ thống làm mát
và hệ thống làm khơ khí. Khí sau khi đi qua hệ thống làm khơ khí sẽ được chia theo
các đường như sau:


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



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


iii)

Lượng khí dư còn lại sẽ được xuất về bờ.
Hệ thống xử lý nước: Sản phẩm nước được tách ra từ bình tách cao áp sẽ đi qua hệ
thống xử l nước để đạt chuẩn trước khi thải ra biển. Hệ thống xử l nước bao gồm:
hệ thống Hydrocyclone và hệ thống Flotation Cell.

ăm 2012, trong chương trình khoan thăm dị mở rộng về phía Tây Nam của mỏ X cách giàn
cơng nghệ trung tâm X1-CPP khoảng 7,5 km.

hà điều hành đ phát hiện thương mại tại giếng

khoan thăm dò 6X với kết quả thử vỉa cho dòng dầu tối đa là 10,500 thùng dầu/ngày.
Trữ lượng thu hồi khu vực phía Tây Nam là 11,49 triệu thùng đến khi kết thúc hợp đồng vào
năm 2023.
Trong quá trình phát triển mỏ, nhà điều hành đ đưa ra hai phương án để phát triển cho khu
vực Tây Nam xây dựng đầu giếng ngầm hoặc giàn đầu giếng không người ở và kết nối với các
giàn lân cận.
Dựa trên cơ sở đảm bảo kỹ thuật và hiệu quả về kinh tế, phương án phát triển được đề xuất là
xây dựng một giàn đầu giếng kết nối với giàn công nghệ trung tâm CPP. Chi tiết phương án phát
triển và hệ thống thiết bị chính được trình bày tại mục 1.2.

HVTH: Thập Minh Thư

15


Luận văn thạc sĩ
1.2. Phương án phát triển cho khu vực Tây Nam của mỏ X
1.2.1. Phương án phát triển
Hình 1-1 mô tả phương án phát triển của dự án là xây dựng một giàn giàn đầu giếng X2WHP, sản phẩm khai thác được vận chuyển về giàn công nghệ trung tâm X1-CPP để xử lý.
-

Số giếng phát triển: 03 giếng khai thác gồm kết nối giếng thăm dò 6X hiện hữu và khoan
02 giếng mới.

-

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

01 đường ống khai thác đa pha dài 7,5 km để vận chuyển dầu khai thác từ giàn X2WHP đến giàn X1-CPP xử lý.



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



01 tuyến cáp ngầm cung cấp điện và thông tin liên lạc giữa giàn X2-WHP và X1CPP.



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

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

HVTH: Thập Minh Thư

16


Luận văn thạc sĩ
1.2.2. Hệ thống thiết bị chính trên giàn X2-WHP:
Giàn đầu giếng X2-WHP được thiết kế là giàn không người với 03 chân, 03 lỗ giếng khoan
bao gồm 02 lỗ giếng đôi và 01 lỗ giếng đơn trong đó 01 lỗ giếng đơn dùng để kết nối giếng
khoan thăm dị 6X, 01 lỗ giếng đơi dùng để khoan 02 giếng mới và 01 lỗ giếng đôi để dự phịng.
Hệ thống thiết bị chính của giàn bao gồm:
Hệ thống điện: hệ thống nguồn điện chính của giàn là 3 pha, 60Hz được cung cấp từ giàn

-

X1-CPP qua đường cáp ngầm. Hệ thống điện dự phòng được cung cấp bởi 24VDC UPS.
-

Hệ thống kiểm soát: bao gồm 1 hệ thống kiểm soát xử lý (Process Control System - PCS)
và 1 hệ thống ngắt khẩn cấp (Emergency Shutdown – ESD) được thiết kế để vận hành và
tương tác với hệ thống điều khiển, vận hành hiện hữu trên X1-CPP, gồm các thiết bị:

-



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



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



Hệ thống thông tin liên lạc (Telecomunication System).



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



Hệ thống ngắt khẩn cấp (Emergency Shutdown- ESD).
Hệ thống bơm hóa phẩm: cung cấp hóa phẩm để chống lắng đọng paraffin và chống ăn
mòn.

-

Hệ thống xả, hệ thống thu nhận thoi và hệ thống an tồn.
Chi tiết thơng số thiết kế được thể hiện ở Bảng 1-2.
Bảng 1-2. Thông số thiết kế X2-WHP [5]
Mô tả

Thông số

Số lượng giếng

3

Số lượng lỗ khoan

3

Độ sâu mực nước biển

46

Áp suất đóng giếng lớn nhất (psig)

1800

Áp suất đầu giếng (psig)

250 - 1800

Nhiệt độ đầu giếng (oC)

80-120

Loại chân đế

3 chân

HVTH: Thập Minh Thư

17


Luận văn thạc sĩ
Lưu lượng dầu tối đa (thùng/ngày)

8.659

Lưu lượng chất lỏng tối đa (thùng/ngày)

12.000

1.3.Cở sở dữ liệu ban đầu phục vụ mơ phỏng
Trong phần này tóm tắt các dữ liệu phục vụ việc mơ phỏng q trình thiết kế đường ống, tính
tốn lớp bọc cách nhiệt, phân tích ổn định dòng chảy như thành phần chất lưu, sản lượng khai
thác, địa hình của đường ống, dữ liệu về khí hậu thủy văn, các thông số công nghệ…
1.3.1. Thành phần cấu tử của sản phẩm khai thác và Gaslift:
Một trong những cơ sở dữ liệu quan trọng để mơ hình hóa các q trình nhiệt thủy động lực
đường ống là thành phần cấu tử của sản phẩm khai thác. Thành phần cấu tử của sản phẩm khai
thác được lấy từ mẫu phân tích của mẫu giếng khoan thăm dị 6X [24].
Sản phẩm khai thác ở khu vực Tây Nam là dầu có hàm lượng paraffin cao, có nhiệt độ bắt
đầu kết tinh paraffin là 54,5 0C và và nhiệt độ đông đặc của dầu là 300C. Giản đồ pha của dầu ở
khu vực Tây am được thể hiện trên Hình 1-2.

Hình 1-2. Giản đồ pha của dầu ở khu vực Tây Nam
Chi tiết thành phần cấu tử của sản phẩm khai thác và thành phần khí Gaslift được trình bày
tại Phụ lục 1 và Phụ lục 2.

HVTH: Thập Minh Thư

18


Luận văn thạc sĩ
1.3.2. Sản lượng khai thác của mỏ X ở khu vực Tây Nam
Mỏ khu vực Tây Nam dự kiến sẽ được đưa vào khai thác vào Qu 4 năm 2014 với 02 giếng
khai thác và 01 giếng sẽ được đưa vào khai thác sau một năm khai thác.
Hình 1-3 mơ tả dự báo sản lượng khai thác đến năm 2023. Mỏ đạt sản lượng cao nhất năm
2015 với sản lượng đạt đỉnh là 11.063 thùng/ngày. Trữ lượng thu hồi của dự án tính đến thời
điểm kết thúc hợp đồng năm 2013 ước đạt 11,49 triệu thùng dầu.
Chi tiết sản lượng khai thác ở khu vực Tây Nam mỏ X được thể hiện Phụ lục 3[24].

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

1.3.3. Dữ liệu về đường ống khai thác
Tuyến ống ngầm vận chuyển sản phẩm từ giàn X2-WHP đến X1-CPP được đặt trên nền cát
của đáy biển tương đối bằng phẳng. Độ sâu (tính từ mực nước biển đến đáy biển) tại giàn X2WHP là -46.7 m và độ sâu tại giàn X1-CPP là -53.1m.
Đoạn ống đứng (Riser) có chiều cao +20m tính từ mặt nước biển lên CPP và WHP. Hình 1-4
trình bày địa hình tuyến ống từ giàn X2-WHP đến X1-CPP với tổng chiều dài 7,5 km (đ bao
gồm các đoạn ống trên giàn X1-CPP và X2-WHP).

HVTH: Thập Minh Thư

19


Luận văn thạc sĩ

30
20
10

Cao độ (m)

0
0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

-10
-20
-30
-40
-50

-60
Khoảng cách (m)

Hình 1-4. Địa hình tuyến ống vận chuyển sản phẩm từ giàn X2-WHP đến X1-CPP [24]
Nhằm mục đích tính tốn thủy lực nhiệt đường ống, cấu trúc của tuyến ống và tính chất của
vật liệu cần khảo sát được trình bày tại Bảng 1-3 và Bảng 1-4.
Bảng 1-3. Thông số về đường ống cần khảo sát
Thơng số
Kích thước
Đường kính ngồi
Đường kính trong
Bề dày thành ống
Chiều dài đường ống
Độ nhám
Lớp bọc

HVTH: Thập Minh Thư

Đơn vị
Inch
Inch
Inch
Inch
m
mm
-

Đường ống từ X2-WHP đến X1-CPP
8/10/12
8,626/ 10,748/ 12,752

7,980/ 10,020/ 11,941
0,323/ 0,364/ 0,406
7.500
0,0457
FBE+PUF+HDPE+ Bê tông

20


Luận văn thạc sĩ
Bảng 1-4. Tính chất của vật liệu [11]

Vật liệu

Nhiệt dung riêng,
J/kg.K

Tỷ trọng,
kg/m3

Hệ số dẫn nhiệt,
W/m.K

Thép

487

7.850

54

Chống ăn mòn FBE

1.500

1.330

0,38

2.000

900

0,25

1.500 ± 100

200 ± 15

0,037

2.000

800

0,2

840

3.044

2,1

4.186

1.025

0,65

Keo liên kết lớp
cách nhiệt với
thành ống PPA
Bọc cách nhiệt
PU Foam
Chống thấm nước
HDPE
Bê tông
ước biển

1.3.4. Dữ liệu về điều kiện khí hậu thủy văn
Trong bảng Bảng 1-5 dưới đây tóm tắt các số liệu về khí hậu thủy văn nơi đường ống dẫn sản
phẩm từ giàn X2-WHP về X1-CPP đi qua, được sử dụng trong các mô phỏng.
Bảng 1-5. Dữ liệu về môi trường tại khu vưc mỏ X [24]
Thông số
Độ sâu

Đơn vị

Giá trị
X1-CPP: 53,1

m
X2-WHP: 46,8

Nhiệt độ khơng khí

o

Nhỏ nhất : 21,5
C
Lớn nhất : 34,5
18 (1 năm),

Vận tốc gió

m/s

22 (10 năm),
28 (100 năm)

Nhiệt độ bề mặt nước biển
HVTH: Thập Minh Thư

o

C

Nhỏ nhất: 26,3

21