Nghiên cứu ứng dụng chương trình macthcad để tính toán một số thông số phục vụ công tác thiết kế tuyến ống dẫn dầu từ giàn thăng long đến trạm thu gom xử lý thăng long đông đô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

VŨ KHẮC TÂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MATHCAD
ĐỂ TÍNH TỐN MỘT SỐ THƠNG SỐ PHỤC VỤ CƠNG TÁC
THIẾT KẾ TUYẾN ỐNG DẪN DẦU TỪ GIÀN THĂNG LONG
ĐẾN TRẠM THU GOM XỬ LÝ THĂNG LONG - ĐÔNG ĐÔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

VŨ KHẮC TÂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MATHCAD
ĐỂ TÍNH TỐN MỘT SỐ THƠNG SỐ PHỤC VỤ CƠNG TÁC
THIẾT KẾ TUYẾN ỐNG DẪN DẦU TỪ GIÀN THĂNG LONG
ĐẾN TRẠM THU GOM XỬ LÝ THĂNG LONG - ĐÔNG ĐÔ

Ngành : Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số : 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Triệu Hùng Trường

HÀ NỘI - 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Hà nội, ngày …… tháng 10 năm 2013
Tác giả luận văn

Vũ Khắc Tâm


MỤC LỤC
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục hình vẽ
Danh mục bảng biểu
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
Chương 1: TỔNG QUAN ........................................................................................ 4
1.1. Tổng quan về mỏ Thăng Long ....................................................................... 4
1.1.1. Giới thiệu chung...................................................................................... 4
1.1.2. Tính chất lý hóa của sản phẩm khai thác ................................................. 4
1.1.3. Kế hoạch phát triển mỏ ........................................................................... 5
1.2. Giới thiệu một số phần mềm tính tốn trong ngành dầu khí ........................... 7
1.2.1. Phần mềm ANSYS.................................................................................. 7
1.2.2. Phần mềm HYSYS.................................................................................. 7

1.2.3. Phần mền PIPESIM................................................................................. 8
1.2.4. Phần mềm MathCAD .............................................................................. 9
Chương 2: CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ THI CÔNG TUYẾN ỐNG DẪN
DẦU TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN.................................................................... 12
2.1. Tính tốn lựa chọn tuyến ống ...................................................................... 12
2.1.1. Tiêu chuẩn tính tốn lựa chọn tuyến ống ............................................... 12
2.1.2. Khảo sát kĩ thuật sơ bộ .......................................................................... 12
2.2. Tải trọng tác dụng lên đường ống ................................................................ 13
2.2.1. Trường hợp thi công.............................................................................. 13
2.2.2. Trường hợp vận hành ............................................................................ 13
2.2.3. Các tổ hợp tải trọng ............................................................................... 14
2.3. Các bước lựa chọn tuyến ống ngồi biển ..................................................... 15
2.4. Cơ sở tính tốn sơ bộ một số thông số đường ống........................................ 16
2.4.1. Chọn sơ bộ đường kính ống .................................................................. 16


2.4.2. Tính tốn chiều dày đường ống chịu áp lực trong .................................. 16
2.4.3. Ổn định đàn hồi..................................................................................... 21
2.4.4. Tính tốn kiểm tra ổn định vị trí của tuyến ống ..................................... 22
2.5. Q trình thi cơng tuyến ống ....................................................................... 26
2.5.1. Một số phương pháp thi công đường ống biển trên thế giới ................... 26
2.5.2. Một số phương pháp thi công nối ống ngầm .......................................... 34
Chương 3: ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MATHCAD TÍNH TỐN MỘT SỐ
THƠNG SỐ PHỤC VỤ CƠNG TÁC THIẾT KẾ TUYẾN ỐNG DẪN DẦU 12 IN
TỪ GIÀN THĂNG LONG ĐẾN TRẠM THU GOM XỬ LÝ THĂNG LONG ĐÔNG ĐÔ ............................................................................................................ 35
3.1. Phân tích các thơng số đầu vào phục vụ tính tính tốn tuyến ống ................. 35
3.1.1. Phân loại vị trí ....................................................................................... 35
3.1.2. Thơng số đầu vào ống đứng .................................................................. 36
3.2. Tính tốn chiều dày thành ống ..................................................................... 42
3.2.1. Tính tốn cho ống đứng......................................................................... 42

3.2.2. Tính tốn cho ống ngang ....................................................................... 46
3.3. Kiểm tra độ ổn định vị trí ............................................................................ 53
3.3.1. Trạng thái thử thủy lực .......................................................................... 53
3.3.2. Trạng thái lắp đặt .................................................................................. 55
3.3.3. Trạng thái vận hành ............................................................................... 58
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 61
KIẾN NGHỊ .......................................................................................................... 61
PHỤ LỤC.............................................................................................................. 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 95


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Chữ viết đầy đủ

HAT

Mực nước triều cao nhất

Hmax

Chiều cao sóng lớn nhất

ID

Đường kính bên trong

KP

Khoảng cách

LAT

Mực nước chiều thấp nhất

LRFD

Tải trọng và hệ số sức cản

MSL

Mực nước biển trung bình

OD

Đường kính ngồi

PLEM

Điểm cuối cụm phân dòng

PSL

Product Specification Level

SMLS

Ống liền

SMTS

Ứng suất uốn nhỏ nhất

SMYS

Ứng suất chảy nhỏ nhất

GL

Gaslift

WI

Bơm ép

yr

Năm

Zone 1

Vị trí 1

Zone 2

Vị trí 2


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Dự báo sản lượng khai thác mỏ Thăng Long - Đơng Đơ .......................... 5
Hình 1.2. Sơ đồ tuyến ống ....................................................................................... 6
Hình 1.3. Giao diện MathCAD .............................................................................. 10
Hình 2.1. Thả ống bằng tàu thả ống ....................................................................... 27
Hình 2.2. Tàu rải ống............................................................................................. 28
Hình 2.3. Xà lan thi cơng thả ống có trống cuộn ống ............................................. 29
Hình 2.4. Kéo ống trên mặt nước ........................................................................... 30
Hình 2.5. Kéo ống gần sát đáy ............................................................................... 32
Hình 2.6. Kéo sát đáy ............................................................................................ 33
Hình 3.1. Phân loại vị trí........................................................................................ 35
Hình 3.2. Đồ thị chiều dày danh nghĩa theo áp suất chất lưu trong ống .................. 44
Hình 3.3 Đồ thị chiều dày danh nghĩa đường ống theo áp suất bóp méo ................ 45
Hình 3.4. Đồ thị chiều dày danh nghĩa thỏa mãn lan truyền mất ổn định................ 45
Hình 3.5. Đồ thị tổng hợp chiều dày trong trường hợp tải trọng tạm thời ............... 45
Hình 3.6. Đồ thị tổng hợp chiều dày trong trường hợp vận hành ............................ 46
Hình 3.7. Chiều dày danh nghĩa theo áp suất chất lưu trong ống ............................ 49
Hình 3.8. Chiều dày danh nghĩa theo áp suất bóp méo ........................................... 49
Hình 3.9. Chiều dày danh nghĩa thỏa mãn lan truyền mất ổn định ......................... 50
Hình 3.10. Đồ thị tổng hợp chiều dày trong trường hợp tải trong tạm thời ............. 50
Hình 3.11. Đồ thị tổng hợp chiều dày trong trường hợp vận hành .......................... 51


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Tính chất lý hóa của dầu .......................................................................... 4
Bảng 3.1. Phân loại vị trí (mục 2 C300 [1]) ........................................................... 36
Bảng 3.2. Dữ liệu tuyến ống (bảng 3.4 [4]) ............................................................ 36
Bảng 3.3. Dữ liệu thiết kế (bảng 2.1 [8])................................................................ 37
Bảng 3. 4. Dữ liệu thủy triều (bảng 4.3 [4]) ........................................................... 38
Bảng 3. 5. Dữ liệu nước dâng do bão (bảng 4.4 [4]) .............................................. 38
Bảng 3. 6. Dữ liệu song (bảng 4.5 [4]) ................................................................... 38

Bảng 3 7. Phân loại chất lỏng (mục 2 C200 [1]) .................................................... 39
Bảng 3. 8. Mức an toàn (bảng 3.5 [4]) ................................................................... 39
Bảng 3. 9. Cấp an toàn........................................................................................... 40
Bảng 3. 10. Hệ số bền của vật liệu (mục 5 C306 [1]) ............................................. 40
Bảng 3. 11. Hệ số chế tạo (mục 5 C307 [1]) .......................................................... 41
Bảng 3. 12. Hệ số cản của vật liệu (mục 5 C205 [1]) ............................................. 41
Bảng 3.13. Tổng hợp chiều dày thành ống ............................................................. 46
Bảng 3. 14. Bảng tổng hợp chiều dày thành ống .................................................... 51
Bảng 3. 15. Lựa chọn chiều dày thành ống ............................................................ 52


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong cơng nghiệp khai thác dầu khí, sản phẩm của q trình khai thác
thường được vận chuyển bằng đường ống đễn các điểm cất chứa thương mại. Các
đường ống thường làm việc trong điều kiện khắc nghiệt dưới đáy biển, do vậy các
tuyến ống phải được thiết kế đạt được các yêu cầu kỹ thuật trên cơ sở lý thuyết về
thủy lực, bền nhiệt và ổn định…
Việc tính tốn và thiết kế tuyến ống phụ thuộc vào rất nhiều tham số đầu vào
với các đặc tính động, khơng quy luật. Bên cạnh đó, một số tham số có tính chất
ngẫu nhiên rất khó kiểm sốt trong q trình tính tốn, làm nhiễu kết quả tính tốn
và làm phức tạp hóa thuật tốn tính tốn. Do vậy, khối lượng tính tốn và thiết kế là
rất lớn, có thể thể nói là khơng thể thực hiện bằng tay. Chính vì vậy, đã có rất nhiều
chương trình máy tính được thiết kế để giải các bài tốn phức tạp trong thực tế, cho
kết quả nhanh, chính xác, trong đó có việc tính tốn, thiết kế đường ống vận chuyển
dầu trong điều kiện phức tạp.
Một trong những chương trình đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu trên, đó là
chương trình MathCAD. Đây là chương trình có tính ưu việt nổi trội hơn so với các

chương trình khác và đang được rất nhiều công ty thiết kế đề xuất sử dụng, đặc biệt
là trong lĩnh vực tính toán, thiết kế các tuyến ống dẫn trong điều kiện biển.
MathCAD có giao diện người dùng dễ sử dụng, được tích hợp rất nhiều các cơng cụ
tính tốn mạnh có thể đáp ứng hầu như tất cả các nhu cầu tính tốn. Mặt khác,
MathCAD cịn cho phép người dùng trực tiếp viết các dịng lệnh can thiệp sâu vào
chương trình để tùy biến chính xác điều kiên biên bài tốn, giúp cho kết quả tính
tốn phản ánh gần nhất với điều kiện thực tế. Chính vì vậy, việc nghiên cứu ứng
dụng chương trình này để tính tốn một số thơng số phục vụ công tác thiết kế tuyến
ống dẫn dầu từ giàn Thăng Long đến trạm thu gom xử lý Thăng Long - Đơng Đơ có
ý nghĩa khoa học và thực tiễn rất lớn.


2
2. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu ứng dụng chương trình MathCAD để tính tốn một số thơng số
phục vụ cho công tác thiết kế tuyến ống dẫn dầu từ giàn Thăng Long đến trạm thu
gom xử lý Thăng Long – Đông Đô.
3. Nội dung của đề tài
Khái quát về cơng tác vận tải dầu khí bằng đường ống.
Các nội dung tính tốn, thiết kế một tuyến ống dẫn dầu trong mơi trường
biển.
u cầu đối với q trình tính tốn thiết kế đối với một tuyến ống tuyến ống
dẫn dầu trong môi trường biển.
Nghiên cứu ứng dụng phần mềm MathCAD để tính tốn thiết kế một số
thơng số phục vụ công tác thiết kế tuyến ống dẫn dầu từ giàn Thăng Long đến trạm
thu gom xử lý Thăng Long – Đông Đô.
Một số đề xuất đối với công tác thiết kế tuyến ống dẫn dầu từ giàn Thăng
Long đến trạm thu gom xử lý Thăng Long - Đông Đô.
4. Phương pháp nghiên cứu
Thu thập các tài liệu liên quan đến việc tính tốn thiết kế đường ống trong

mơi trường biển. Từ đó ứng dụng chương trình mathCAD để tính tốn chiều dày
thành ống và độ ổn định vị trí của tuyến ống dẫn dầu từ giàn Thăng Long đến trạm
thu gom xử lý Thăng Long - Đông Đô.
5. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Cơ sở tính tốn thiết kế, thi cơng tuyến ống dẫn dầu trong môi
trường biển.
Chương 3: Ứng dụng chương trình mathCAD tính tốn một số thơng số phục
vụ cơng tác thiết kế tuyến ống dẫn dầu 12 in từ giàn Thăng Long đến trạm thu gom
xử lý Thăng Long - Đông Đô.


3
6. Lời cảm ơn
Để hồn thành chương trình đạo tạo thạc sỹ chuyên ngành Kỹ thuật máy và
thiết bị mỏ, dầu khí, tơi xin chân thành cảm ơn đến:
Q thầy cơ trường Đại học Mỏ Địa Chất, khoa Dầu khí, Bộ mơn Thiết bị
Dầu khí và Cơng trình, khoa Cơ điện, Bộ mơn Máy và thiết bị mỏ, phịng Đào tạo
Sau đại học đã tận tình giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời
gian học.
Trong quá trình làm luận văn tác giả cũng nhận được sự giúp đỡ của các bạn
học viên lớp Cao học kỹ thuật máy và thiết bị mỏ, dầu khí, các bạn trong lớp Thiết
bị dầu khí K51.
Đặc biệt, tơi xin trân trọng cám ơn TS. Triệu Hùng Trường đã giành nhiều
thời gian q báu, tận tình hướng dẫn tơi trong suốt thời gian hồn thành luận văn
này.
Cám ơn gia đình, bạn bè và những người thân đã giúp đỡ về mọi mặt để tơi
hồn thành được khóa học này.

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về mỏ Thăng Long
1.1.1. Giới thiệu chung
Mỏ Thăng Long được đặt tại phía Tây Nam của blocks 01/97 và 02/97, khoảng
26 km về phía Nam mỏ Ruby và 35 km về phái Nam mỏ Sư Tử Vàng. Lơ 01&02/97 có
diện tích khoảng 11.700 km2 với độ sâu nước biển khoảng 40 - 70m. Lô 01&02/97
năm ở rìa Đơng Bắc của bể Cửu Long và Nam Cơn Sơn, thuộc vùng biển ven bở tình
Bình Thuận và cách thành phố Vũng Tàu khoảng 160 km về phái đơng.
1.1.2. Tính chất lý hóa của sản phẩm khai thác
Các thông số vỉa thu được từ kết quả thử giếng và khảo sát giếng cho thấy, nhiệt
độ vỉa và áp suất vỉa của khu vực mỏ không cao. Nhiệt độ thu được trong quá trình thử
vỉa tại đối tượng móng mỏ Thăng Long là 100 0C, áp suất vỉa cao nhất có giá trị 3128
psi. Giá trị áp suất và nhiệt độ đều có sự biến đổi, tăng dần theo chiều sâu.
Theo q trình phân tích mẫu dầu, tính chất dầu củacác vỉa chứa tại mỏ
Thăng Long - Đông Đơ có sự thay đổi lớn theo các vỉa sản phẩm. Nhìn chung dầu
có tỷ trọng trung bình được phát hiện tại các đối tượng Mioxe, móng của mỏ Thăng
Long, các tính chất vỉa và tính chất dầu khí được tổng hợp trên bảng 1.1.
Bảng 1.1. Tính chất lý hóa của dầu
Thơng số
Tỷ trọng (0API, 600F)
Áp suất bão hịa, Pb (Psi)

TL-Mioxen TL-Oligoxen
dưới
dưới
26,5
35,6 - 42,2

TL Móng
35,7

ĐĐ - Mioxen
giữa
20,4 - 28,4

ĐĐ Móng
33,2

1130

1925 - 2600

3030

78-575

1465

181

408 - 844

752

10-75

362

1,137

1,26 - 1,52

1,452

1,037 - 1,108

1,26

Độ nhớt

6,924

0,398 - 0,628

0,552

2,763 - 21,49

0,911

Độ nén

4,5

4,5

9,0

2,89 - 6,02

9,0

Áp suất vỉa ban đầu (Psi)

2609

2038 - 2050

2844

Nhiệt độ vỉa (0C)

86

73 - 77

93 - 100

Tỷ số khí dầu, GOR
(scf/stb)
Hệ số thể tích dầu, B0
(rb/stb)

3063 - 3144 3147-3218
94 - 97

94 - 98

5
1.1.3. Kế hoạch phát triển mỏ
Hiện nay mỏ đang trong giai đoạn phát triển và dự kiến đưa vào khai thác
vào năm 2013.
Kết quả mô phỏng tại phương án khai thác cơ sở đưa ra tổng lượng dầu khai
thác mỏ Thăng Long - Đông Đô là 43,72 triệu thùng (trong đó 20,3 triệu thùng tại
mỏ Thăng Long và 23,42 triệu thùng tại mỏ Đơng Đơ).

Hình 1.1. Dự báo sản lượng khai thác mỏ Thăng Long - Đông Đô
Mỏ dự kiến phát triển với 18 giếng khai thác và 4 giếng bơm ép. Trong đó
mỏ Thăng Long có 8 giếng khai thác, 2 giếng bơm ép, mỏ Đơng Đơ có 10 giếng
khai thác và 2 giếng bơm ép.
Kế hoạch phát triển đòi hỏi thiết bị xử lý trung tâm được đặt trên FPSO. Tàu
chứa giàu FPSO được đặt cách giàn Thăng Long 2,84 km, cách giàn Đơng Đơ 2km.
Dịng chất lưu chưa được xử lý sẽ được vận chuyển bằng đường ống từ đầu
giếng trên giàn khoan tới FPSO. Tại đây, dầu được tách nước và ổn định để đáp ứng
các đặc điểm kỹ thuật của tàu chứa dầu. Khí đồng hành sẽ được sử dụng để cung


6
cấp nhiên liệu cho FPSO và vận chuyển khí cho giếng Thăng Long và Đông Đô.
Nước khai thác sẽ được xử lý trước khi thải ra ngồi tàu (hình 1.1).

Hình 1.2. Sơ đồ tuyến ống
Hệ thống tuyến ống dẫn dầu từ giàn Thăng Long đến trạm thu gom xử lý
Thăng Long - Đông Đô làm việc trong điều kiện vô cùng phức tạp. Việc tính tốn
và thiết kế chúng phụ thuộc vào rất nhiều tham số đầu vào với các đặc tính động,
khơng quy luật. Bên cạnh đó, một số tham số có tính chất ngẫu nhiên rất khó kiểm

sốt trong q trình tính tốn, làm nhiễu kết quả tính tốn và làm phức tạp hóa thuật
tốn tính tốn. Do vậy, khối lượng tính tốn và thiết kế là rất lớn, có thể thể nói là
khơng thể thực hiện bằng tay. Chính vì vậy, đã có rất nhiều chương trình máy tính
được thiết kế để tính tốn, thiết kế đường ống vận chuyển dầu trong điều kiện phức
tạp. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các thuật tốn và phần cũng
dần hồn thiện, đáp ứng u cầu giải các bài toán phức tạp trong thực tế, cho kết
quả nhanh, chính xác.


7
1.2. Giới thiệu một số phần mềm tính tốn trong ngành dầu khí
1.2.1. Phần mềm ANSYS
ANSYS là một phần mềm mạnh được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên
thế giới, có thể đáp ứng các u cầu tính tốn trong. Phần mềm ANSYS có thể liên
kết với các phần mềm thiết kế mơ hình hình học 2D và 3D để phân tích trường ứng
suất, biến dạng, trường nhiệt độ, tốc độ dịng chảy, có thể xác định được đồ mòn,
mỏi và phá hủy của chi tiết. Nhờ việc xác định đó có thể tìm các thơng số tối ưu cho
cơng nghệ chế tạo. ANSYS cịn cung cấp phương pháp giải các bài tốn cơ với
nhiều dạng mơ hình vật liệu khác nhau: đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, đàn
dẻo, đàn nhớt, dẻo, dẻo nhớt, chảy dẻo, vật liệu siêu đàn hồi, siêu dẻo, các chất lỏng
và chất khí.
ANSYS là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn hồn tồn chỉ dùng
để mơ phỏng, tính tốn thiết kế công nghiệp đã và đang được sử dụng trên thế giới
trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện tử, tương
tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý.
Trong hệ thống tính tốn đa năng của ANSYS bài tốn cơ kỹ thuật được giải
quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc.
ANSYS có rất nhiều mơ đun, các mơ đun phân tích kỹ thuật theo các bài
tốn như tính tốn độ bền chi tiết và kết cấu cơ khí, tính tốn nhiệt, tính tốn dịng
chảy thủy khí. Tùy theo u cầu tính tốn mơ phỏng mà chọn các mơ đun thích hợp.

1.2.2. Phần mềm HYSYS
HYSYS là sản phẩm phần mềm của công ty Aspentech (tên cũ là
HYPROTECH), chuyên cung cấp phần mềm công nghệ xử lý dầu khí, cho phép lập
mơ hình mơ phỏng các q trình chế biến dầu khí. Chương trình kết hợp các dữ liệu
hồi quy, cơ sở nhiệt động học và công nghệ chưng cất dầu khí để thiết kế mơ phỏng
và phân tích hệ thống xử lý khí bao gồm dịng khí lý tưởng, khơng lý tưởng, khí hỗn
tạp và dịng chảy nhiều pha.


8
HYSYS có khả năng đáp ứng được hầu hết các cơng việc thiết kế, nghiên cứu
trong ngành lọc hóa dầu cũng như trong ngành xử lý chế biến khí, trong đó có việc
tính tốn thiết kế các tuyến ống vận chuyển chất lưu là dầu – khí – nước.
HYSYS có khả năng báo lỗi (bằng màu đỏ, hoặc viền màu vàng) tại các thiết
bị mơ phỏng khi dữ liệu tính tốn nhập vào khơng hợp lệ. Việc điều hành và tính
tốn các thơng số cơng nghệ mang tính logic cao nên việc thêm hay bớt các thiết bị
đơn giản và khơng địi hỏi nhập lại số liệu ban đầu cũng như lặp lại quy trình.
HYSYS có khả năng tính tốn hai chiều và sử dụng thơng tin một phần.
Chương trình được chia làm nhiều phần (unit) nhỏ, mỗi unit là một thiết bị và khả
năng tự xác định thêm thông số nào có thể tính tốn từ các dịng nối với unit đó.
Khả năng truyền dữ liệu của HYSYS thể hiện khi HYSYS được cung cấp
thêm một thông tin mới, chương trình sẽ lập tức được thực hiện các tính tốn có thể
và truyền các kết quả mới này tới các thiết bị có thể sử dụng chúng. Q trình này
sẽ được tiếp diễn cho tới khi một khoảng cách giữa hai thiết bị hoặc thiết bị cuối
hoàn tất.
Ngoài ra HYSYS cịn có khả năng tự động tính tốn lại. Đó là khi người thiết kế
loại bỏ một số thơng số nào đó thì chương trình sẽ tự động loại bỏ tất cả các thơng số
tính tốn được từ thơng số cũ và giả định chúng chưa biết. Các thông số không liên
quan (trực tiếp hoặc gián tiếp) đến thông số bị loại bỏ sẽ vẫn được giữ lại.
1.2.3. Phần mền PIPESIM

PIPESIM là phần mềm được phát triển bởi GeoQuest thuộc cơng ty dầu khí
đa quốc gia Schlumberger, đây là một phần mềm thiết kế chuẩn đốn phân tích
những vấn đề gặp phải trong q trình khai thác dầu khí, cho phép đưa ra các giải
pháp chủ động và ngăn ngừa các trường hợp xấu có thể xảy ra.
PIPESIM là phần mềm mơ phỏng dịng chảy nhiều pha, dịng chảy ở trạng
thái ổn định được sử dụng để thiết kế và chuẩn đốn phân tích hệ thống khai thác
dầu và khí. Các cơng cụ của phần mềm PIPESIM xây dựng dòng chảy nhiều pha từ
vỉa cho tới miệng giếng. PIPESIM phân tích đặc tính mơ hình dịng chảy và các
thiết bị bề mặt để cho kết quả phân tích cơ đọng về hệ thống khai thác.


9
Cùng với mơ hình thuật tốn tiên tiến cho phân tích tối ưu Nodal, phân tích
PVT và xây dựng các mơ hình ăn mịn, xói mịn trong các thiết bị, PIPESIM sẽ giúp
phân tích tính tốn tối ưu các hoạt động bơm ép và khai thác.
PIPESIM có thể đáp ứng các nhu cầu tính tốn cho: Dịng chảy đa pha trong
ống dẫn; Thiết lập profin áp suất và nhiệt độ; Tính tốn hệ số truyền tải nhiệt năng;
Xây dựng mơ hình đặc tính dịng chảy trong ống và qua các thiết bị; Phân tích đặc
tính của giếng; Thiết kế giếng; Tối ưu giếng; Xây dựng mơ hình đặc tính của dòng
chảy vào giếng; Thiết kế khai thác Gaslift; Xây dựng mơ hình đặc tính khai thác
bằng phương pháp Gaslift; Xây dựng mơ hình đặc tính khai thác bằng phương pháp
bơm điện chìm; Thiết kế giếng bơm ép vỉa; Dịng chảy trong ống khai thác và trong
khoảng không vành xuyến; Mô hình thiết bị đường ống đầy đủ; Hệ thống thu gom
và phân phối mạng.
1.2.4. Phần mềm MathCAD
1.2.4.1. Giới thiệu phần mềm
MathCAD là cơng cụ tốn học hàng đầu hiện nay, với khả năng vượt trội
trong tính tốn, định dạng visual độc đáo và giao diện tương thích với các ký hiệu
tốn học cơ bản. Việc thực hiện các phép tính toán học là cơ sở cho những quyết
định thiết kế ở hầu hết các giai đoạn. Thông qua việc đưa ra giải pháp trực quan, có

tính tương tác và phương pháp tự soạn thảo cho những bài toán kỹ thuật, MathCAD
đã dần trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp cho hàng triệu người dùng trên toàn
thế giới.
MathCAD đưa ra một giao diện được thiết kế trực quan, giao diện của
MathCAD là những ký hiệu tốn học đơn giản, những cơng thức này có tính tương
tác vì vậy kết quả ln cập nhật tương ứng với công thức và dữ liệu trong văn bản.
Một đặc tính quan trọng của MathCAD là phần mềm này có tính năng theo
dõi đơn vị thơng minh. Người dùng có thể nhập dữ liệu với bất kỳ đơn vị nào và
phần mềm sẽ tự động thực hiện những chuyển đổi cần thiết.
Tính năng thiết kế dựa trên thử nghiệm (Design of Experiments - DoE) mới
ra đời giúp tối ưu hóa thiết kế ở mức độ cao hơn trong khi số lần thử nghiệm vật lý


10
và mô phỏng lại giảm đi. DoE cho phép người dùng đồng thời thử nghiệm tất cả các
nhân tố ảnh hưởng tới thiết kế và cung cấp những phân tích thống kê giúp phân tách
ảnh hưởng của những nhân tố này.
Một điểm nổi bật nữa của MathCAD là khả năng hỗ trợ mạnh mẽ việc sử
dụng đơn vị kỹ thuật bằng cách xử lý khéo léo những tình huống khi cùng một ký
hiệu nhưng lại mang hai ý nghĩa khác nhau (ví dụ “m” có thể là một tham số trong
phương trình nhưng cũng có thể là chữ viết tắt của đơn vị mét). Trong những tình
huống như vậy, MathCAD sẽ bảo tồn những ký hiệu đó và thể hiện chúng bằng
những màu sắc khác nhau để người dùng có thể dễ dàng phân biệt.

Hình 1.3. Giao diện MathCAD
1.2.4.2. Ưu điểm của MathCAD
Có thể kể ra những ưu điểm cơ bản của MathCAD như sau:
- Dễ dàng học và sử dung - khơng địi hỏi các kỹ năng lập trình đặc biệt.
- Tăng năng suất, tiết kiệm thời gian và giảm thiểu lỗi.
- Nâng cao sự chính xác và giá trị của các phép tính tới hạn.

11
- Tăng cường các phép tính tối ưu và sử dụng lại nội dung tính tốn.
- Chức năng tốn học toàn diện.
- Dễ dàng sử dụng chức năng trợ giúp.
- Tương thích các ký hiệu tốn học, văn bản và đồ họa.
- Khả năng làm việc và giao tiếp với các hệ thống máy tính khác.
- Giao diện trực quan sinh động
Tóm lại, đây là một chương trình có tính ưu việt nổi trội so với các chương
trình khác và đang được rất nhiều công ty thiết kế đề xuất sử dụng, đặc biệt là trong
lĩnh vực tính tốn thiết kế đường ống trong điều kiện biển. MathCAD có giao diện
người dùng dễ sử dụng được tích hợp các cơng cụ tính tốn mạnh có thể đáp ứng
được hầu như tất cả các nhu cầu tính tốn. Mặt khác, MathCAD còn cho phép người
dùng trực tiếp viết các dòng lệnh can thiệp sâu vào chương trình để tùy biến chính
xác điều kiện biên bài tốn, giúp cho kết quả tính toán phản ánh gần nhất với điều
kiện thực tế. Do vậy, việc nghiên cứu ứng dụng chương trình MathCAD để tính
tốn một số thơng số phục vụ cho cơng tác thiết kế tuyến ống dẫn dầu từ giàn Thăng
Long đến trạm thu gom xử lý Thăng Long – Đông Đô có ý nghĩa khoa học và thực
tiễn cao.


12

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ THI CƠNG TUYẾN ỐNG DẪN DẦU
TRONG MƠI TRƯỜNG BIỂN
2.1. Tính tốn lựa chọn tuyến ống
2.1.1. Tiêu chuẩn tính tốn lựa chọn tuyến ống
Việc thực hiện tính tốn lựa chọn tuyến ống phải phù hợp với tiêu chuẩn

DNV OS F101 [1], tuyến ống tối ưu nhất được lựa chọn là tuyến ống có chiều dài
ngắn nhất có thể và số khuyết tật là ít nhất.
Tiêu chuẩn lựa chọn tuyến sẽ bao gồm những quy định bắt buộc sau:
Phù hợp với mọi yêu cầu của chủ đầu tư.
Tránh được các chướng ngại vật dưới đáy biển.
Số nhịp vượt qua địa hình phức tạp là ít nhất có thể.
Góc theo phương ngang hợp với tuyến ống đã có khơng được nhỏ hơn 300 và
nên càng gần 900 thì càng tốt. Khoảng cách theo phương đứng với ống đã có tối
thiểu là 0,3 (m).
Dưới độ sâu càng lớn thì thiết kế các ống giao nhau với tuyến ống hiện hành
càng gần vng góc càng tốt.
Bán kính cong của ống khi thiết kế gây ra ứng suất tương ứng không được
vượt quá 10% SMYS và không làm mất ổn định của tuyến ống.
Với ống đi vào giàn cần tránh các khu vực hoạt động như: giá cập tàu, khu
vực của giàn khoan khai thác.
Ống tiếp cận giàn hợp một góc khơng được nhỏ hơn 300 và vị trí bắt đầu
cong ống đi vào giàn cách giàn tôi thiểu 500m.
Tuyến ống chọn lựa tránh được tối thiểu tác động của mơi trường nhất có thể.
2.1.2. Khảo sát kĩ thuật sơ bộ
Khảo sát về độ sâu nước và địa kĩ thuật của đáy biển.
Kết quả của cuộc khảo sát sẽ được tổng hợp lại để xem xét, thảo luận, viết
thành bản báo cáo khảo sát cuối cùng.


13
Đề xuất tuyến
Từ báo cáo khảo sát đã được lập bộ phận thiết kế sẽ đưa ra đề xuất tọa độ
tuyến ống chính và các tuyến phụ phù hợp yêu cầu của mỏ và các qui định lựa chọn
tuyến.
Tất cả các tuyến ống đã được lựa chọn mà song với nhau sẽ được giữ khoảng

cách tối thiểu là 50m.
2.2. Tải trọng tác dụng lên đường ống
Tải trọng tác dụng lên đường ống được phân thành các loại sau: tải trọng
chức năng, tải trọng môi trường, tải trọng xét đến trong quá trình xây dựng tuyến
ống (lắp đặt, thử áp lực, vận hành, bảo trì và sửa chữa), tải trọng va đập và tải trọng
sự cố. Các loại tải trọng này sẽ được xem xét trong từng trường hợp cụ thể của
tuyến ống.
Trường hợp thi công lắp đặt.
Trường hợp thử áp lực.
Trường hợp vận hành của tuyến ống (đưa vào sử dụng).
2.2.1. Trường hợp thi công
Ống sẽ chịu các tải trọng sau:
Tải trọng chức năng: trọng lượng bản thân ống và chất thử áp trong ống, áp
lực thủy tĩnh, áp lực bên trong khi thử áp.
Tải trọng môi trường: tải trọng gió, tải trọng sóng và dịng chảy, lực thủy
động.
Tải trọng xem xét đến trong quá trình xây dựng tuyến ống: lắp đặt, thử áp
(như tải trọng nâng ống, liên kết ống, thử áp...vv)
Tải trọng va đập: va vào chướng ngại vật khi lắp đặt.
Tải trọng sự cố: nổ, vật rơi vào ống.
2.2.2. Trường hợp vận hành
Tải trọng vận hành trong thời gian thử thủy tĩnh và vận hành là tải trọng do
trọng lượng, áp suất và nhiệt độ như xác định trong mục 4 của DVN OS F101 [1].


14
Tải trọng trong quá trình lắp đặt là những tải trọng do trọng lượng, áp suất bên
ngoài và lực lắp đặt.
Ống chịu các tải trọng sau:
Tải trọng chức năng: tải trọng bản thân ống và chất vận chuyển trong ống, tải

trọng do hà bám, áp lực thủy tĩnh, áp lực bên trong khi vận chuyển chất, giãn nở do
nhiệt độ.
Tải trọng môi trường: Tải trọng do môi trường trên đường ống và ống đứng
thường là tải trọng do sóng và hải lưu. Tải trọng thủy động được xác định trong
C300 mục 4 của DNV OS F101 [1] đối với lực kéo, lực nâng và lực qn tính. Hệ
số tính tốn lực thủy động do tải trọng sóng và hải lưu được sử dụng trong thiết kế
ống bao được thể hiện trong bảng 4.11 DNV - OS - F101 [1].
Tải trọng gió, tải trọng sóng và dịng chảy, lực thủy động.
Tải trọng xem xét đến trong quá trình xây dựng tuyến ống: vận hành, bảo trì,
sửa chữa (sự gia tăng về áp lực...).
Tải trọng sự cố: tải trọng do điều kiện sóng và dịng chảy là cực hạn, tải do
va chạm, do các hoạt động của tàu thuyền hay va chạm với vật chìm hoặc băng trơi,
sự vận chuyển của dịng bùn...v.v.
Tải trọng khác: động đất.
2.2.3. Các tổ hợp tải trọng
Tùy thuộc vào giai đoạn thiết kế theo trạng thái giới hạn nào mà lấy tổ hợp
các trường hợp tải trọng cho phù hợp để tính tốn. Các tổ hợp tải trọng được xét
theo các trạng thái giới hạn như sau:
Trạng thái giới hạn cực hạn
Kiểm tra hệ thống, tổ hợp tải được lấy bao gồm: tải trọng chức năng (hệ số tổ
hợp là 1.2), tải trọng môi trường (hệ số tổ hợp là 0.7).
Kiểm tra cục bộ, tổ hợp tải được lấy bao gồm: tải trọng chức năng (hệ số tổ
hợp 1.1), tải trọng môi trường (hệ số tổ hợp 1.3), tải trọng va (hệ số tổ hợp 1.1).
Trạng thái giới hạn mỏi:


15
Tổ hợp tải trọng được lấy bao gồm: tải trọng chức năng (hệ số tổ hợp 1.0), tải
trọng môi trường (hệ số tổ hợp 1.0), tải trọng va (hệ số tổ hợp 1.0).
Trạng thái giới hạn sự cố:

Tổ hợp tải bao gồm: tải trọng chức năng, tải trọng môi trường, tải trọng va,
tải trọng sự cố (các hệ số tổ hợp của trường hợp tải đều là 1.0)
2.3. Các bước lựa chọn tuyến ống ngoài biển
Bước 1: Thu thập nghiên cứu số liệu về trữ lượng kế hoạch phát triển mỏ.
Bước 2: Tổng hợp phân tích các số liệu về các hệ thống thu gom, vận
chuyển, xử lý dầu, khí nhằm xác định khả năng kết nối, nâng cấp hay xây dựng mới
các hạng mục cơng trình đáp ứng u cầu của dự án.
Bước 3: Khảo sát thực địa tuyến ống hiện hữu.
Bước 4: Thu thập các số liệu về địa hình, địa chất đáy biển, khí tượng thuỷ
văn, bản đồ hành lang an tồn cáp viễn thơng … trong khu vực tuyến ống dự kiến đi
qua khu vực cho việc vạch định tuyến ống ngoài biển.
Bước 5: Lập tiêu chí đánh giá phương án tuyến ống theo các dữ liệu đầu vào
gồm:
Tổng chiều dài đường ống ngắn nhất.
Tuyến đường ống có điểm bắt đầu từ nguồn cung cấp dầu lớn đã được thẩm
lượng chắc chắn.
Cơ sở hạ tầng cho việc kết nối.
Thuận lợi cho việc thi công và đấu nối với các hệ số thưc tế.
Đảm bảo an toàn, an ninh và môi trường.
Đảm bảo lưu lượng vận chuyển dầu, đáp ứng khả năng khai thác, điều tiết
sản lượng dầu vào bờ một cách độc lập trong những năm đầu.
Bước 6: Phác thảo các phương án, tổ chức thảo luận xin ý kiến các đơn vị
tham gia.
Bước 7: Phân tích hiệu chỉnh các phương án tuyến.
Bước 8: Đánh giá chấm điểm theo các tiêu chí đã lập để lựa chọn ra tuyến
ống tối ưu.


16
2.4. Cơ sở tính tốn sơ bộ một số thơng số đường ống

2.4.1. Chọn sơ bộ đường kính ống
Cơng thức tính lưu lượng chất vận chuyển
Q

d2
4

v

(2.1)

Trong đó:
Q: là lưu lượng chất vận chuyển
d: là đường kính ống;
v: là vận tốc của chất vận chuyển trong ống
Sẽ có 2 phương án chọn đường kính ống.
Tùy thuộc yêu cầu mà lựa chọn đường kính ống theo 2 phương án lựa chọn sau:
Tăng đường kính ống (d) thì tổn thất năng lượng nhỏ, chi phí máy nén khí
giảm, chi phí vật liệu tăng.
Giảm đường kính ống (d) thì tổn thất năng lượng tăng, chi phí máy nén khí
tăng, chi phí vật liệu giảm.
2.4.2. Tính tốn chiều dày đường ống chịu áp lực trong
Chiều dày thành ống được xác định trên quan điểm đường kính trong là hằng
số. Phương pháp tính tốn chiều dày đường ống đối đường ống trên biển được thực
hiện theo tiêu chuẩn DNV - OS - F101 [1].
2.4.2.1 Áp lực nổ
Việc kiểm tra áp lực nổ sẽ được thực hiện trong điều kiện hoạt động. Việc
kiểm tra được thực hiện theo tiêu chuẩn được trình bày trong mục 5 - D200 DNV OS - F101 [1].
Plx  Pli 

Pb  t1 
 sc   m

Trong đó:
Plx  Pli (trong quá trình vận hành).
Plx  Plt (trong quá trình thử nghiệm hệ thống).

(2.2)


17
Pli : Áp suất bất ngờ cục bộ. Đây là áp suất bên trong lớn nhất tại cùng một

chiều cao tham chiếu như của áp suất thiết kế (Mpa).
(2.3)

Pli  Pinc   cont .g  ( hlef  hl )

Pinc : Áp suất đột ngột tại chiều cao quy chiếu (Mpa).
Pin   inc  Pd

(2.4)

 inc : Hệ số áp suất tức thời theo thiết kế.
Pd : Áp suất thiết kế (MPa).

cont : Khối lượng riêng của chất lỏng chứa trong ống.
2

g : gia tốc trọng trường (g = 9,81m/s )

Plt : áp suất thử hệ thống cục bộ (MPa).
Plt  Pt   t  g   href  h1 

(2.5)

Pt : Áp lực thử hệ thống tại chiều cao quy chiếu (MPa).

t : Khối lượng riêng của mơi trường thí nghiệm liên quan đến đường ống.
href : Chiều cao của điểm quy chiếu (thường lấy EL (+) 0.00 m).

hl : Chiều cao của các điểm áp suất cục bộ (chiều dương hướng lên trên

thường lấy bằng chiều sâu mực nước lớn nhất) (m).
Pe : Áp lực bên ngoài (MPa).

 m : Hệ số sức cản của vật liệu.
 sc : Hệ số bền theo cấp an tồn của cơng trình.
t1 : Chiều dày thành ống (mm).

t1  tnom  t fab (trong trạng thái khai thác) (mm).
t1  tnom  t fab  tcorr (trạng thái kiểm tra áp lực vừa thi công xong ống) (mm).

tnom : Chiều dành danh nghĩa của ống (thường cho trong lý lịch ống, chưa kể

đến sai số chế tạo).
t fab : Phần dung sai do chế tạo (mm).