KHẢO SÁT NG CHẢY TRONG TUYẾN ỐNG DẪN KHÍ ĐẦM DƠI – KHÁNH MỸ BẰNG PHẦN MỀM OLGA VÀ PVTSIM
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.89 MB, 39 trang )
TẬP ĐỒN DẦU KHÍ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
TIỂU LUẬN
ĐỀ TÀI:
KHẢO SÁT DÒNG CHẢY TRONG
TUYẾN ỐNG DẪN KHÍ ĐẦM DƠI – KHÁNH MỸ
BẰNG PHẦN MỀM OLGA VÀ PVTSIM
Sinh viên thực hiện: Lê Thái Hiển
Nguyễn Quang Vinh
H Như Ý Byă
Trần Trung Đức
Chuyên ngành: Lọc – Hóa dầu
Lớp: K5LHD
Khóa: 2016 - 2020
GVHD: TS. Dương Chí Trung
Bà Rịa - Vũng Tàu, năm 2019
1
LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Dương Chí Trung – Trưởng bộ mơn Lọc Hóa
dầu. Thầy đã hướng dẫn cho chúng em nhiều kiến thức hữu ích về lí thuyết dịng chảy
và các phần mềm dòng để khảo sát dòng chảy như OLGA và PVTSIM. Từ những buổi
học và thực hành trên lớp, chúng em đã có cái nhìn tổng quan về dịng chảy trong đường
ống và cơ bản biết được cách sử dụng các phần mềm này. Bên cạnh đó, chúng em cũng
đã biết cách khảo sát những yếu tố để đảm cho dòng chảy trong ống ổn định, giải thích
được các hiện tượng xảy ra trong ống và sự ảnh hưởng của những hiện tượng đó đến
dịng chảy như hiện tượng lỏng tích tụ trong ống, sự sụt áp, sự tạo thành hydrate, slug
hay sáp,… Chính những kiến thức thực tế này đã giúp ích cho những bạn có đam mê,
định hướng về nghiên cứu, mô phỏng và thiết kế đường ống rất nhiều trong việc định
hướng nghề nghiệp tương lai sau này.
Trong quá trình thực hiện bài tiểu luận này, do hạn chế về mặt thời gian và kiến thực
thực tế, chúng em khó tránh khỏi những sai sót. Chúng em rất mong nhận được những
đóng góp của thầy để có thể rút kinh nghiệm cho những bài tiểu luận, đồ án môn học và
đồ án tốt nghiệp sắp tới tốt hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn.
Thành phố Bà Rịa, ngày 05 tháng 12 năm 2019
Thay mặt nhóm thực hiện
Nhóm trưởng
(Kí, ghi rõ họ tên)
Lê Thái Hiển
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM PVTSIM VÀ OLGA .................................. 2
1.1.
Tổng quan về phần mềm PVTSIM .............................................................................. 2
1.2.
Tổng quan về phần mềm OLGA: ................................................................................ 2
CHƯƠNG 2: NỘI DUNG BÀI TIỂU LUẬN ......................................................................... 3
CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN ............................................................................. 4
3.1.
Xác định EVR: ............................................................................................................. 4
3.1.1.
Khảo sát EVR theo đường kính ống d: ............................................................. 6
3.1.2.
Khảo sát EVR theo tốc độ dịng khí UG: .......................................................... 6
3.1.3.
Khảo sát EVR theo lưu lượng khối Mass Flow: .............................................. 7
3.2.
Chọn đường kính ống tuyến Đầm Dơi – Khánh Mỹ phù hợp. .................................... 8
3.2.1.
Đánh giá tỉ lệ tốc độ mài mòn EVR .................................................................. 9
3.2.2.
Đánh giá sự tạo thành hydrate thông qua biến chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ
tạo hydrate và nhiệt độ dịng khí – DTHYD ...................................................................... 9
3.2.3.
Đánh giá chế độ dịng chảy ............................................................................. 10
3.3.
Khảo sát EVR qua các giai đoạn trong quá trình khai thác mỏ ................................. 11
3.4.
Khảo sát tốc độ dịng khí UG qua các giai đoạn trong q trình khai thác mỏ ......... 13
3.5.
Khảo sát Liquid Holdup – lượng lỏng tích tụ qua các giai đoạn trong q trình khai
thác mỏ ................................................................................................................................. 16
3.5.1.
Nguyên nhân tạo Liquid Holdup: ................................................................... 16
3.5.2.
Tính toán Liquid Holdup ................................................................................ 17
3.6.
Khảo sát hiện tượng tạo sáp qua các giai đoạn trong quá trình khai thác mỏ............ 19
3.7.
Khảo sát hiện tượng tạo hydrate qua các giai đoạn trong quá trình khai thác mỏ ..... 21
3.8.
Khảo sát sự thay đổi nhiệt độ dọc theo tuyến ống (TM) qua các giai đoạn trong quá
trình khai thác mỏ. ................................................................................................................ 23
3.9.
Khảo sát sự thay đổi áp suất dọc theo tuyến ống (PT) qua các giai đoạn trong quá trình
khai thác mỏ. ........................................................................................................................ 25
3.10.
Khảo sát chế độ dịng chảy (ID) qua các giai đoạn trong quá trình khai thác mỏ. 27
3.10.1.
Mục đích của dự đốn chế độ dịng chảy:....................................................... 27
3.10.2.
Các chế độ dòng chảy : ................................................................................... 27
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 30
4.1.
Kết luận ...................................................................................................................... 30
4.2.
Kiến nghị .................................................................................................................... 30
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 31
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2. 1 Cấu hình đường ống nối từ giàn Đầm Dơi đến giàn Semi CPP Khánh Mỹ....3
Hình 3. 1 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa tỉ trọng với nhiệt độ và thành phần khối
lượng pha khí trong mỏ Đầm Dơi tại áp suất 60 bara. ....................................................5
Hình 3. 2 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa tỉ trọng với nhiệt độ và thành phần khối
lượng pha khí trong mỏ Đầm Dơi tại áp suất 20 bara. ....................................................5
Hình 3. 3 Mối liên hệ giữa EVR tại 3 đường kính khảo sát ............................................6
Hình 3. 4 Mối liên hệ giữa UG tại 3 đường kính khảo sát ..............................................6
Hình 3. 5 Mối liên hệ giữa EVR và UG ..........................................................................7
Hình 3. 6 Mối liên hệ giữa EVR và UG trong giai đoạn đầu và giai đoạn cuối của quá
trình khai thác ..................................................................................................................7
Hình 3. 7 Khảo sát EVR với các đường kính trong khoảng từ 5 inch đến 6 inch ...........9
Hình 3. 8 Khảo sát sự tạo thành hydrate với các đường kính trong khoảng 5 inch đến 6
inch. .................................................................................................................................9
Hình 3. 9 Khảo sát chế độ dòng chảy với các đường kính trong khoảng 5 inch đến 5.8
inch. ............................................................................................................................... 10
Hình 3. 10 Giản đồ dịng chảy nằm ngang ....................................................................11
Hình 3. 11 Khảo sát EVR tại từng giai đoạn khai thác, từ năm 2019 đến năm 2028 (tương
ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn) tại đường kính d = 16 inch .......................... 12
Hình 3. 12 Khảo sát EVR tại từng giai đoạn khai thác, từ năm 2019 đến năm 2028 (tương
ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn) tại đường kính d = 5.4 inch .........................13
Hình 3. 13 Khảo sát UG tại từng giai đoạn khai thác, từ năm 2019 đến năm 2028 (tương
ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn) tại đường kính d = 5.4 inch .........................15
Hình 3. 14 Khảo sát HOL tại từng giai đoạn khai thác, từ năm 2019 đến năm 2028 (tương
ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn) tại đường kính d = 5.4 inch .........................18
Hình 3. 15 Khảo sát LIQC trên section 1 tại từng giai đoạn khai thác, từ năm 2019 đến
năm 2028 (tương ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn) tại đường kính d = 5.4 inch
với thời gian khảo sát trên OLGA là 10 phút. ............................................................... 18
Hình 3. 16 Khảo sát LIQC trên section 1 tại từng giai đoạn khai thác, từ năm 2019 đến
năm 2028 (tương ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn) tại đường kính d = 5.4 inch
với thời gian khảo sát trên OLGA là 5 giờ. ...................................................................19
Hình 3. 17 Khảo sát điều kiện tạo sáp trong đường ống. ..............................................20
Hình 3. 18 Khảo sát MWXDIS tại từng giai đoạn khai thác, từ năm 2019 đến năm 2028
(tương ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn) tại đường kính d = 5.4 inch .............20
Hình 3. 19 Đồ thị biểu diễn đường cong hydrate của dịng khí trong đường ống tuyến
Đầm Dơi – Khánh Mỹ ...................................................................................................22
Hình 3. 20 Khảo sát DTHYD tại từng giai đoạn khai thác, từ năm 2019 đến năm 2028
(tương ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn) tại đường kính d = 5.4 inch .............23
Hình 3. 21 Khảo sát sự thay đổi nhiệt độ theo các đường kính 6 inch, 16 inch và 26 inch.
.......................................................................................................................................24
Hình 3. 22 Khảo sát TM qua các giai đoạn khai thác, từ năm 2019 đến năm 2028 (tương
ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn) tại đường kính d = 16 inch .......................... 24
Hình 3. 23 Khảo sát PT qua các giai đoạn khai thác, từ năm 2019 đến năm 2028 (tương
ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn) tại đường kính d = 26 inch .......................... 25
Hình 3. 24 Khảo sát PT qua các giai đoạn khai thác, từ năm 2019 đến năm 2028 (tương
ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn) tại đường kính d = 16 inch .......................... 25
Hình 3. 25 Khảo sát PT qua các giai đoạn khai thác, từ năm 2019 đến năm 2028 (tương
ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn) tại đường kính d = 5.4 inch .........................26
Hình 3. 26 Hình ảnh minh họa phương trình định luật Bernoulli .................................27
Hình 3. 27 Khảo sát ID qua các giai đoạn khai thác, từ năm 2019 đến năm 2028 (tương
ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn) tại đường kính d = 5.4 inch .........................28
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3. 1 Giá trị EVR qua các giai đoạn khai thác mỏ .................................................11
Bảng 3. 2 Giá trị UG qua các giai đoạn khai thác mỏ ...................................................13
Bảng 3. 3 Ảnh hưởng của điều kiện vận hành đến lượng lỏng tích tụ .......................... 16
Bảng 3. 4 Giá trị LIQC qua các giai đoạn khai thác .....................................................17
Bảng 3. 5 Thành phần mol của dịng khí trước và sau khi tính lượng nước bão hịa....21
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày này, cùng với sự phát triển của ngành cơng nghiệp dầu khí thì các phần
mềm mơ phỏng, khảo sát đường ống và các chế độ dòng chảy cũng vô cùng phát triển.
Hai trong số các phần mềm đó chính là PVTSIM và OLGA.
Với cơ hội được học, tìm hiểu lý thuyết và thực hành với cả hai phần mềm, sinh
viên ngành Kĩ thuật hóa học, đặc biệt là chuyên ngành Lọc – Hóa dầu đã có những kiến
thức chuyên sâu hơn trong việc sử dụng phần mềm PVTSIM để làm dữ liệu đầu vào cho
phần mềm OLGA, sử dụng OLGA để khảo sát các thông số thường được nhắc đến trên
lớp như nhiệt độ, áp suất hay các vấn đề thường gặp như tạo hydrate, tạo sáp, tạo slug
hay lỏng tích tụ…đặc biệt là qua bài tiểu luận với dữ liệu là các thông số của tuyến
đường ống Đầm Dơi – Khánh Mỹ.
Chính những điều đó sẽ giúp chúng em có cái nhìn tổng quan cũng như ôn tập lại
những kiến thức được học trong nhà trường, chuẩn bị hành trang tốt trước khi ra trường.
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM PVTSIM VÀ OLGA
1.1.
-
Tổng quan về phần mềm PVTSIM
PVTSIM là chương trình mơ phỏng PVT đa năng được phát triển cho các kỹ sư
vỉa, chun gia khảo sát dịng chảy và kỹ sư cơng nghê, đặc biệt trong ngành dầu
khí. Dựa trên dữ liệu bao quát được thu thập trong khoảng thời gian hơn 25 năm,
PVTSIM đã mang thông tin từ các nghiên cứu thử nghiệm vào phần mềm mô
phỏng một cách nhất quán mà khơng làm mất đi các thơng tin có giá trị trong quá
trình thực hiện.
-
Đối với các nghiên cứu đảm bảo dòng chảy trong OLGA, PVTSIM hoạt động
như một dữ liệu đầu vào cho OLGA. Điều đó có nghĩa là PVTSIM tạo ra một cơ
sở dữ liệu cho các thuộc tính của nguồn dịng lưu chất đầu vào như thành phần
dòng, phạm vi nhiệt độ và áp suất, như đường cong hydrat, liều lượng chất ức
chế tạo hydrat, quá trình hình thành sáp,… cũng có thể được tạo ra.
1.2.
Tổng quan về phần mềm OLGA:
-
Đảm bảo an tồn dịng chảy là một lĩnh vực cấp thiết đối với ngành dầu khí
nên việc mơ phỏng và mơ hình hóa dịng chảy trong ống giúp chúng ta đánh
giá được tính chất, đặc điểm của dòng chảy bên trong ống từ vỉa đến nơi tiếp
nhận. OLGA là một trong những phần mềm phục vụ những cơng việc đó.
-
Ứng dụng của OLGA:
+ Điều khiển lỏng trong ống;
+ Thiết kế thiết bị tách và slug catchers cũng như việc thiết kế, lựa chọn các
thơng số thích hợp cho đường ống (chọn đường kính, vật liệu, độ dày ống, ..);
+ Điều khiển sự tạo rắn trong ống như hydrate, sáp;
+ Giúp mô phỏng trong việc start up, shutdown, phóng pig trong đường ống;
+ Giúp điều khiển việc xả blowdown, xả bùn trong đường ống;
+ Giúp đánh giá sự ảnh hưởng của mơi trường tới dịng chất lưu trong đường
ống (đặc biệt là đường ống ở ngoài biển).
2
CHƯƠNG 2: NỘI DUNG BÀI TIỂU LUẬN
Hình 2. 1 Cấu hình đường ống nối từ giàn Đầm Dơi đến giàn Semi CPP Khánh Mỹ
Dựa trên đề bài đã được giao, nhóm đã tiến hành nhập số liệu, mơ phỏng và
khảo sát tuyến đường ống dẫn khí từ giàn Đầm Dơi đến giàn Semi CPP Khánh
Mỹ dựa trên các nội dung:
-
Xác định EVR;
-
Chọn đường kính ống tuyến Đầm Dơi – Khánh Mỹ phù hợp;
-
Khảo sát tỉ lệ tốc độ mài mòn EVR, tốc độ dịng khí UG, lượng lỏng tích tụ,
hiện tượng tạo sáp, hiện tượng tạo hydrat, sự thay đổi nhiệt độ dọc theo tuyến
ống (TM), sự thay đổi áp suất dọc theo tuyến ống (PT), chế độ dòng chảy (ID)
qua các giai đoạn trong quá trình khai thác mỏ;
-
Từ đó nhóm đưa ra kết luận, phân tích và đánh giá kết quả nhận được, đánh
giá từ năm 2019 đến 2028 tuyến ống với đường kính đã chọn có đảm bảo vận
hành ổn định trong suốt quá trình khai thác mỏ hay không.
3
CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN
3.1.
-
Xác định EVR:
Định nghĩa EVR: EVR là thuật ngữ viết tắt của Erosional Velocity Ratio (tỉ số
tốc độ mài mịn) là một thơng số thiết kế quan trọng trong việc chọn kích thước
đường ống và bể chứa (sizing pipes and vessels) dưới một điều kiện xác định.
EVR là tỉ số giữa tốc độ thực của chất lưu và tốc độ mài mòn lớn nhất gây ra bởi
chất lưu chảy trong đường ống
-
Công thức xác định EVR:
EVR =
𝑉𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙
𝑉𝑚𝑎𝑥
(3.1)
Trong đó:
+ 𝑉𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 : tốc độ thực của chất lưu;
+ 𝑉𝑚𝑎𝑥 : tốc độ mài mòn lớn nhất gây ra bởi chất lưu.
-
Nếu như EVR > 1, nghĩa là tốc độ thực của dòng lưu chất chảy bên trong đường
ống lớn hơn tốc độ mài mòn tối đa gây ra bởi chính dịng chất lưu đó thì sự mài
mịn bên trong đường ống sẽ xảy ra. Ngược lại, nếu EVR < 1, khơng có hiện
tượng mài mịn trong đường ống.
-
Vận tốc 𝑉𝑚𝑎𝑥 được tính tốn đựa trên tiêu chuẩn API R14E theo cơng thức sau:
𝑉𝑚𝑎𝑥 =
𝐶
√𝜌𝑚𝑖𝑥
Trong đó:
𝜌𝑚𝑖𝑥 =
𝜌𝑔 𝑈𝑠𝑔 + 𝜌𝑙 (𝑈𝑠𝑙 + 𝑈𝑠𝑑 )
𝑈𝑠𝑔 + 𝑈𝑠𝑙 + 𝑈𝑠𝑑
(3.3) và 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 𝑈𝑠𝑔 + 𝑈𝑠𝑙 + 𝑈𝑠𝑑 (3.4)
Với:
C = 121.99: hằng số thực nghiệm (đối với chất lưu không có cát;
𝜌𝑔 : tỉ trọng của chất khí (kg/m3);
𝜌𝑙 : tỉ trọng của chất lỏng (kg/m3);
𝑈𝑠𝑔 : tốc độ bề mặt của chất khí – gas (m/s);
𝑈𝑠𝑙 : tốc độ bề mặt của màng lỏng – liquid film (m/s);
𝑈𝑠𝑑 : tốc độ bề mặt của giọt lỏng – liquid droplet (m/s).
-
Từ các công thức trên, ta rút gọn được công thức:
4
(3.2)
1
EVR =
-
{(𝑈𝑠𝑔 + 𝑈𝑠𝑙 + 𝑈𝑠𝑑 )[𝜌𝑔 𝑈𝑠𝑔 + 𝜌𝑙 (𝑈𝑠𝑙 + 𝑈𝑠𝑑 )]}2
𝐶
(3.5)
Nếu bỏ qua sự ảnh hưởng của pha lỏng và các giọt lỏng trong đường ống dẫn khí,
từ cơng thức trên, ta có thể thấy EVR tỉ lệ thuận với 𝑈𝑠𝑔 và 𝜌𝑔 .
+ Xét sự ảnh hưởng của tốc độ dịng khí đến EVR: khi tốc độ dịng khí càng lớn,
nghĩa là các phân tử khí di chuyển càng nhanh dẫn đến tốc độ mài mòn càng tăng;
+ Xét sự ảnh hưởng của tỉ trọng dòng khí đến EVR: khi tỉ trọng dịng khí càng
lớn, càng có nhiều phân tử khí tiếp xúc với bề mặt bên trong đường ống trên một
đơn vị thời gian và diện tích, cũng dẫn đến tốc độ mài mịn càng tăng.
-
Sau đây, xem xét mối liên hệ giữa tỉ trọng với nhiệt độ và thành phần khối lượng
pha khí trong mỏ Đầm Dơi tại áp suất 60 bara và 20 bara để giải thích rõ ý trên:
Hình 3. 1 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa tỉ trọng với nhiệt độ và thành phần khối
lượng pha khí trong mỏ Đầm Dơi tại áp suất 60 bara.
Hình 3. 2 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa tỉ trọng với nhiệt độ và thành phần khối
lượng pha khí trong mỏ Đầm Dơi tại áp suất 20 bara.
+ Tại hai áp suất khảo sát, tỷ trọng dịng khí và dịng dầu sẽ giảm dần theo các
khoảng tăng nhiệt độ. Tại nhiệt độ thấp, thành phần khối lượng pha khí trong hỗn
hợp khí/dầu chiếm thấp hơn so với ở nhiệt độ cao;
5
+ Tại áp suất cao hơn, thành phần khối lượng pha khí trong hỗn hợp khí/dầu
chiếm tỉ trọng cao hơn.
3.1.1. Khảo sát EVR theo đường kính ống d:
+ Xét 3 đường kính 6 inch, 16 inch và 26 inch, tại giai đoạn đầu khai thác tuyến
đường ống DD – CPP KM năm 2019 – 2021 tại lưu lượng khối lượng là 13.5
kg/s và tại áp suất đầu tiếp nhận tại Khánh Mỹ là 40.68 bar. Ta có đồ thị sau:
Hình 3. 3 Mối liên hệ giữa EVR tại 3 đường kính khảo sát
Hình 3. 4 Mối liên hệ giữa UG tại 3 đường kính khảo sát
+ Qua đồ thị ta có thể thấy, đường kính càng nhỏ thì EVR và tốc độ dịng khí UG
càng cao. Đường kính càng nhỏ, áp suất trong ống càng cao, mật độ các phân tử
khí di chuyển trên một tiết diện ngang càng nhiều dẫn đến tốc độ mài mòn càng
tăng.
3.1.2. Khảo sát EVR theo tốc độ dịng khí UG:
+ Xét tuyến ống có đường kính là 16 inch, ta có đồ thị:
6
Hình 3. 5 Mối liên hệ giữa EVR và UG
+ Qua đồ thị ta có thể thấy, tại cùng một đường kính khảo sát, EVR giảm khi UG
giảm. Khi tốc độ dịng khí trong đường ống giảm, mật độ và tốc độ các phân tử
khí tiếp xúc với bề mặt bên trong của đường ống giảm, dẫn đến ma sát giữa dịng
khí và bề mặt ống giảm, từ đó tốc độ mài mòn giảm.
3.1.3. Khảo sát EVR theo lưu lượng khối Mass Flow:
+ Xét tuyến ống có đường kính là 16 inch, khảo sát tại hai giai đoạn: giai đoạn
đầu của q trình khai thác – dịng khí có lưu lượng khối là 13.5 kg/s và giai đoạn
cuối – dòng khí có lưu lượng khối là 4.7 kg/s, ta có đồ thị:
Hình 3. 6 Mối liên hệ giữa EVR và UG trong giai đoạn đầu và giai đoạn cuối của quá
trình khai thác
+ Tại giai đoạn đầu, lưu lượng khối và tốc độ dịng khí UG cao hơn so với giai
đoạn cuối, mật độ và tốc độ di chuyển của các phân tử khí trong ống cao hơn,
dẫn đến tốc độ mài mòn lớn hơn.
7
3.2.
-
Chọn đường kính ống tuyến Đầm Dơi – Khánh Mỹ phù hợp.
Trong quá trình thiết kế đường ống, việc lựa chọn kích thước đường ống được
thực hiện trên cơ sở tính tốn thủy lực, xác định đường kính trong của đường ống
để có thể vận chuyển lượng khí cần thiết với tổn thất áp suất cho phép hoặc ngược
lại, tổn thất áp suất trong q trình vận chuyển lượng khí cần thiết qua đường
kính được quy định trước đó. Do đó, chúng ta cần phải tính tốn và khảo sát
đường kính ống theo áp suất đầu vào. Với dữ liệu đề bài đã cho, để xác định
đường kính trong của ống cần phải giữ áp suất đầu vào của ống nhỏ hơn hoặc
bằng áp suất vỉa 118.04 bar.
-
Những yếu tố như sự mài mòn, sự tạo thành hydrate và chế độ dòng chảy đều
ảnh hưởng trực tiếp đến việc lựa chọn đường kính ống, vì vậy chúng ta cần khảo
sát những thơng số sau: tỉ số tốc độ mài mịn (EVR), sự tạo thành hydrat thông
qua biến chênh lệch giữa nhiệt độ tạo hydrate và nhiệt độ dịng khí (DTHYD) và
chế độ dịng chảy.
-
Thơng thường ta sẽ khảo sát, tính tốn và lựa chọn đường kính ống nhỏ nhất vì
liên quan đến chi phí đầu tư. Trong khoảng giới hạn cho phép, khi thỏa mãn tính
hiệu quả kinh tế, sự cân đối giữa sự ảnh hưởng của các yếu tố đã nêu đến đường
ống thì việc lựa chọn đường kính ống càng nhỏ sẽ càng giảm chi phí đầu tư.
-
Đối với loại ống thép tiêu chuẩn ANSI SCH80s như đã cho, áp suất thiết kế cao
160 barg, ta có thể chọn đường kính ống nhỏ. Tuy nhiên, nếu đường kính q
nhỏ thì tốc độ dịng khí sẽ q lớn, dẫn đến tăng tỉ lệ tốc độ mài mòn (EVR >1
sẽ xảy ra mài mịn), cũng có thể xuất hiện hydrate hoặc các hiện tượng khác sẽ
được khỏa sát. Các vấn đề sẽ được khảo sát thông qua các thông số - Parameter
Studies (số liệu, biểu đồ, phân tích ).
-
Sau khi tính tốn và khảo sát sơ bộ, nhóm quyết định sẽ chọn một đường kính tối
ưu trong khoảng từ 5 inch đến 6 inch với bước nhảy là 0.2 inch. Nghĩa là nhóm
sẽ tập trung phân tích và lựa chọn một trong sáu giá trị: 5 inch, 5.2 inch, 5.4 inch,
5.6 inch, 5.8 inch và 6 inch.
8
3.2.1. Đánh giá tỉ lệ tốc độ mài mịn EVR
Hình 3. 7 Khảo sát EVR với các đường kính trong khoảng từ 5 inch đến 6 inch
-
Như đã trình bày, khi EVR > 1 thì hiện tượng mài mịn sẽ xảy ra. EVR liên
quan trực tiếp đến lưu lượng khí UG. Ở giai đoạn lưu lượng lớn nhất cũng là
lúc dễ mài mòn nhất.
-
Từ đồ thị ta quan sát thấy, xét trên cả tuyến đường ống thì chỉ với đường kính 5.4
inch, EVR ln nhỏ hơn 1. Với đường kính nhỏ hơn như 5 inch hay 5.2 inch, mặc
dù hơn 95% chiều dài đường ống khơng bị mài mịn, nhưng khi càng về cuối
đường ống, EVR tăng dần và lớn hơn 1 khi về đến nơi tiếp nhận.
-
EVR chỉ bé hơn 1 trong suốt chiều dài đường ống với các đường kính từ 5.4 inch
đến 6 inch. Nhưng như đã trình bày, vì giảm chi phí đầu tư, ta có xu hướng chọn
đường kính nhỏ nhất.
-
Như vậy, đường kính 5.4 inch là đường kính tối ưu trong trường hợp này.
3.2.2. Đánh giá sự tạo thành hydrate thông qua biến chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt
độ tạo hydrate và nhiệt độ dịng khí – DTHYD
Hình 3. 8 Khảo sát sự tạo thành hydrate với các đường kính trong khoảng 5 inch đến 6
inch.
9
-
Ta có cơng thức: DTHYD = Thydrate formation – Tfluid, giá trị của DTHYD lớn hơn 0
khi nhiệt độ dòng khí nhỏ hơn nhiệt độ tạo thành hydrate. Thơng thường, giá trị
biên an toàn thường được sử dụng là 5oC. Với mục đích thiết kế, giá trị khơng
mong muốn khi vận hành đường ống là DTHYD > -5oC.
-
Từ hình 3.8, ta quan sát thấy với đường ống có đường kính 5 inch, DTHYD = 4.8oC > -5oC tại vị trí 10182.6 m, hydrate sẽ xuất hiện cuối đường ống. Trong khi
đó, với đường kính 5.2 inch, DTHYD = -7.3oC tại vị trí 10182.6m chưa tạo
hydrtate khi về cuối đường ống. Như vậy, với đường kính từ 5.2 inch trở lên thì
giá trị DTHYD đã bé hơn -5oC. Suy ra đường kính 5.4 inch cũng thích hợp trong
trường hợp này.
3.2.3. Đánh giá chế độ dịng chảy :
Hình 3. 9 Khảo sát chế độ dịng chảy với các đường kính trong khoảng 5 inch đến 5.8
inch.
-
Một trong những biến ảnh hưởng đến việc xác định đường kính là biến ID – Flow
Regime Indicator, biến xác định các chế độ dòng chảy trong đường ống. Có bốn
chế độ dịng chảy:
+ Stratified Wavy Flow – Chảy phân tầng;
+ Annular Flow – Chảy hình khuyên;
+ Hydrodynamic Slug Flow – Có Slug;
+ Dispersed Bubble Flow – Dịng chảy có phân tán bọt khí.
10
Hình 3. 10 Giản đồ dịng chảy nằm ngang
-
Từ hình 3.9 và hình 3.10, ta có thể thấy, trong khoảng đường kính từ 5 inch đến
5.8 inch, các đường ID trùng nhau và cùng nằm ngang trong suốt chiều dài đường
ống nên dịng khí chạy ở chế độ phân tầng. Như vậy, đường kính 5.4 inch cho
chế độ dịng chảy phân tầng ổn định.
-
Kết luận: Sau khi khảo sát các thơng số EVR, DTHYD và ID, đường kính 5.4
inch đã được lựa chọn vì hạn chế mài mịn trong suốt chiều dài đường ống, không
tạo hydrate và cho chế độ dòng chảy ổn định.
3.3.
Khảo sát EVR qua các giai đoạn trong quá trình khai thác mỏ
Bảng 3. 1 Giá trị EVR qua các giai đoạn khai thác mỏ
Case
SS-1 năm
2019-2021
SS-2 năm
2022
SS-3 năm
2023
SS-4 năm
2024
SS-5 năm
2025
SS-6 năm
2026
Flowpath
Massflow
(kg/s)
Presure at
CPP KM
(bar)
EVR
DD-CPP KM
13.5
40.68
0.95325
DD-CPP KM
12.2
36.45
0.918985
DD-CPP KM
10.8
33.28
0.812945
DD-CPP KM
9.4
30.08
0.792598
DD-CPP KM
8.8
28.40
0.766852
DD-CPP KM
7.4
25.08
0.692472
11
SS-7 năm
2027
SS-8 năm
2028 trở đi
-
DD-CPP KM
6.1
21.95
0.615539
DD-CPP KM
4.7
21.95
0.475946
Như đã khảo sát ở câu 1, tỉ số tốc độ mài mòn EVR phụ thuộc vào tốc độ và tỉ
trọng dịng khí trong đường ống hay nói khác hơn là sự phân tán các phân tử khí
trong ống, mà sự phân tán cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và áp suất. Trong quá
trình khai thác mỏ như đã cho ở bảng trên, từ năm 2019 đến năm 2028, lưu lượng
khối và áp suất vỉa sẽ giảm theo thời gian, tùy thuộc công nghệ khai thác mà mất
áp nhiều hay ít. Khi cả trữ lượng và lưu lượng dịng khí giảm sẽ dẫn đến tốc độ
dòng cũng như áp suất vỉa giảm, kéo theo áp suất tại nơi tiếp nhận cũng sẽ giảm.
Từ đó kết luận EVR sẽ giảm dần theo thời gian khai thác.
-
Khi khảo sát, cần chọn vị trí đầu đường ống vì có áp suất và lưu lượng dịng khí
cao, dễ dàng phân tích số liệu. Trong trường hợp này, nhóm khảo sát ở vị trí
Section 2 của Pipe 1 với đường kính và áp suất đầu giàn Khánh Mỹ như đề bài
đã cho.
Hình 3. 11 Khảo sát EVR tại từng giai đoạn khai thác, từ năm 2019 đến năm 2028
(tương ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn) tại đường kính d = 16 inch
-
Như đã trình bày, lấy ví dụ với đường kính ống 16 inch, từ hình 3.11 ta có thể
thấy EVR giảm dần qua các giai đoạn khai thác, từ khoảng xấp xỉ 0.18 ở giai
đoạn đầu – Case SS – 1 năm 2019 – 2021 với lưu lượng khối là 13.5 kg/s giảm
xuống 0.06 ở giai đoạn cuối SS – 8 năm 2028 trở đi với lưu lượng khối là 4.7
kg/s.
12
Hình 3. 12 Khảo sát EVR tại từng giai đoạn khai thác, từ năm 2019 đến năm 2028
(tương ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn) tại đường kính d = 5.4 inch
-
Với đường kính d = 5.4 inch mà nhóm đã chọn, ta cũng có kết luận tương tự. Xét
chung trên toàn bộ đường ống, EVR giảm dần qua các giai đoạn khai thác. Cụ
thể tại cuối đường ống, EVR từ khoảng xấp xỉ 0.9 ở giai đoạn đầu – Case SS – 1
năm 2019 – 2021 với lưu lượng khối là 13.5 kg/s giảm xuống 0.4 ở giai đoạn cuối
SS – 8 năm 2028 trở đi với lưu lượng khối là 4.7 kg/s.
-
Một điểm đáng lưu ý khác là càng về cuối đường ống, EVR có xu hướng tăng.
Như đã phân tích, EVR tỉ lệ thuận với UG. Khi vận hành, nhiệt độ giảm dần thoe
chiều dài đường ống, lượng lỏng ngưng tụ nhiều hơn, tiết diện dịng khí đi qua sẽ
giảm, nên làm tăng tốc độ dịng khí UG, từ đó EVR cũng tăng. Việc quan trọng
là lựa chọn đường kính phù hợp sao cho với độ tăng của UG tác động đến EVR
mà EVR vẫn giữ dưới 1 thì quá trình vận hành vẫn sẽ tối ưu. Đối với các đường
kính lớn, độ tăng EVR cuối đường ống khơng đáng kể.
3.4.
Khảo sát tốc độ dịng khí UG qua các giai đoạn trong q trình khai thác
mỏ
Bảng 3. 2 Giá trị UG qua các giai đoạn khai thác mỏ
Case
SS-1 năm
2019-2021
SS-2 năm
2022
SS-3 năm
2023
SS-4 năm
2024
Flowpath
Massflow
(kg/s)
Presure at
CPP KM
(bar)
UG max
(m/s)
DD-CPP KM
13.5
40.68
14.724
DD-CPP KM
12.2
36.45
15.13925
DD-CPP KM
10.8
33.28
14.92312
DD-CPP KM
9.4
30.08
14.23704
13
SS-5 năm
2025
SS-6 năm
2026
SS-7 năm
2027
SS-8 năm
2028 trở đi
-
DD-CPP KM
8.8
28.40
14.60683
DD-CPP KM
7.4
25.08
14.16361
DD-CPP KM
6.1
21.95
13.58002
DD-CPP KM
4.7
21.95
10.54808
Tốc độ dịng khí UG chịu ảnh hưởng lớn bởi áp suất và một phần nhỏ của nhiệt
độ. Áp suất lại được đặc trưng bởi mật độ các phân tử tác dụng lên một tiết diện.
Hay nói cách khác, mật độ các phân tử di chuyển hay lưu lượng dòng khí trong
đường ống tác động trực tiếp đến UG.
UG =
𝑄𝐺𝐴
𝐴𝑝
(3.6)
Trong đó:
+ QGA: lưu lượng dịng khí thực tế trong đường ống;
+ Ap: tiết diện ngang của đường ống.
-
Khi nhiệt độ tăng lên, mặc dù lực liên kết giữa các phân tử khí yếu hơn so với
các phân tử lỏng nhưng mức độ hỗn loạn của các phân tử khí cũng tăng lên, góp
phần tăng tốc độ dịng khí. Ngược lại khi nhiệt độ q thấp thì các phân tử khí sẽ
giảm độ linh động, thậm chí chuyển sang trạng thái hai pha lỏng – khí, dẫn tới
giảm vận tốc dịng. Nhưng nhiệt độ dịng khí thường trao đổi nhiệt với mơi
trường, mất mát do q trình truyền nhiệt qua đường ống nên ít ảnh hưởng đến
tốc độ dịng khí.
-
Khi sự chênh lệch áp suất đầu vào và đầu ra của đường ống dẫn khí càng cao, áp
suất trong đường ống càng cao thì tốc độ của dịng khí càng lớn. Tốc độ dịng khí
phải được điều khiển ở một giới hạn nhất định, không được quá cao hay quá thấp
để đảm bảo vận hành an tồn.
+ Tốc độ dịng khí cao có thể làm giảm lượng lỏng tích tụ, giảm slug nhưng tăng
tốc độ mài mòn. Khi tốc độ dòng khí quá cao, mật độ các phân tử khí ma sát với
14
đường ống trên một tiết diện càng cao, dẫn đến q trình mài mịn xảy ra mạnh
hơn;
+ Ngược lại, tốc độ dịng khí thấp, khơng đủ để đẩy lỏng tích tụ hay slug tạo
thành nhưng có ưu điểm là giảm tốc độ mài mòn.
-
Tại nhiệt độ thấp và áp cao có thể dẫn tới tạo thành hydrate, gây tắc đường ống
và tăng ma sát với thành đường ống, tăng tốc độ mài mịn và giảm tốc độ dịng
khí.
-
Tại nhiệt độ thấp, sáp có thể hình thành. Khi các phân tử sáp bám lên thành đường
ống, độ nhám của đường ống tăng lên, làm giảm tốc độ dịng khí.
Hình 3. 13 Khảo sát UG tại từng giai đoạn khai thác, từ năm 2019 đến năm 2028
(tương ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn) tại đường kính d = 5.4 inch
-
Với đường kính d = 5.4 inch mà nhóm đã chọn, ta có kết luận: Xét chung trên
tồn bộ đường ống, UG giảm dần qua các giai đoạn khai thác. Cụ thể tại cuối
đường ống, UG từ khoảng xấp xỉ 15 m/s ở giai đoạn đầu – Case SS – 1 năm 2019
– 2021 với lưu lượng khối là 13.5 kg/s giảm xuống còn khoảng 10.5 m/s ở giai
đoạn cuối SS – 8 năm 2028 trở đi với lưu lượng khối là 4.7 kg/s.
-
Một điểm đáng lưu ý khác là càng về cuối đường ống, UG có xu hướng tăng.
Điều này có thể giải thích thơng qua sự phụ thuộc vủa UG với những yếu tố khác
như nhiệt độ vận hành, lượng lỏng tích tụ.
-
Càng đi về cuối đường ống, nhiệt độ càng giảm, lượng lỏng tích tụ càng nhiều,
làm giảm tiết diện mà dịng khí đi qua. Khi đó theo phương trình (3.6), tiết diện
15
giảm thì tốc độ dịng khí tăng. Nhưng với đường kính lớn thì tốc độ dịng khí sẽ
tăng khơng đáng kể.
3.5.
Khảo sát Liquid Holdup – lượng lỏng tích tụ qua các giai đoạn trong quá
trình khai thác mỏ
Bảng 3. 3 Ảnh hưởng của điều kiện vận hành đến lượng lỏng tích tụ
-
Dịng chảy
slug
Dịng chảy
hình khun
Dịng chảy Dịng chảy
phân tầng bọt phân tán
Vận tốc khí tại
bề mặt chia pha
Ảnh hưởng
mạnh
Ảnh hưởng
mạnh
Ảnh hưởng
mạnh
Ảnh hưởng
mạnh
Vận tốc lỏng tại
bề mặt chia pha
Ảnh hưởng
mạnh
Ảnh hưởng
mạnh
Ảnh hưởng
mạnh
Ảnh hưởng
mạnh
Vận tốc khí
Ảnh hưởng
trung bình
Ảnh hưởng
mạnh
Ảnh hưởng
mạnh
Ảnh hưởng
mạnh
Đường kính ống
Ảnh hưởng
trung bình
Ảnh hưởng
yếu
Ảnh hưởng
yếu
Ảnh hưởng
yếu
Góc nghiêng
Ảnh hưởng
trung bình
Ảnh hưởng
yếu
Ảnh hưởng
rất mạnh
Khơng ảnh
hưởng
Tính chất pha
lỏng
Ảnh hưởng
trung bình
Ảnh hưởng
trung bình
Ảnh hưởng
trung bình
Ảnh hưởng
yếu
Từ bảng 3.3, ta có thể thấy, ảnh hưởng của điều kiện vận hành đến liquid holdup
là rất khác nhau cho mỗi chế độ dịng chảy.
-
Bên cạnh đó, tốc độ dịng khí ảnh hưởng rất nhiều đến Liquid holdup (HOL).
Trong q trình vận chuyển, có thể xảy ra các hiện tượng như tổn thất áp suất do
ma sát (frictional pressure loss), do thay đổi độ dốc (elevational changes), thay
đổi các thông số vận hành khi qua van Joule – Thompson, thất thốt nhiệt do q
trình trao đổi nhiệt với mơi trưởng đã ảnh hưởng đến q trình lỏng tích tụ và sự
mất áp.
3.5.1. Nguyên nhân tạo Liquid Holdup:
-
Pha lỏng thường được vận chuyển bằng lực kéo gây ra bởi pha khí. Tuy nhiên ở
phía trên các phần dốc của đường ống, cần phải tăng lực kéo sao cho lực kéo ấy
16
phải vượt qua cả ma sát và lực hấp để mang lỏng lên dốc, từ đó việc xem xét địa
hình cho đường ống cũng rất quan trong để dự đoán các hố ga lỏng.
-
Với một lưu lượng khí nhất định (khác nhau với từng đường ống và thường được
gọi là vận tốc quét), holdup tăng lên nhanh khi tốc độ dịng khí giảm. Tại điều
kiện này, holdup xuất hiện phụ thuộc nhiều vào vận tốc khí so với lượng chất
lỏng trong dòng. Với giá trị vận tốc quét xác định, holup chỉ giảm nhẹ khi vận
tốc khí tăng thêm. Trong điều kiện này, holdup xuất hiện gần như hoàn toàn phụ
thuộc vào lượng lỏng trong dịng.
3.5.2. Tính tốn Liquid Holdup
-
Liquid holdup hay lượng lỏng tích tụ là lượng chất lỏng chứa trong đường ống
vận chuyển dòng nhiều pha tại điều kiện dòng chảy cụ thể, là một yếu tố quan
trọng trong hoạt động của một đường ống. Holdup vào một thời điểm cụ thể sẽ
được hình thành như một slug.
Bảng 3. 4 Giá trị LIQC qua các giai đoạn khai thác
Case
SS-1 năm
2019-2021
SS-2 năm
2022
SS-3 năm
2023
SS-4 năm
2024
SS-5 năm
2025
SS-6 năm
2026
SS-7 năm
2027
SS-8 năm
2028 trở đi
Flowpath
Massflow
(kg/s)
Presure at
CPP KM
(bar)
LIQC
(m3)
DD-CPP KM
13.5
40.68
0.297344
DD-CPP KM
12.2
36.45
0.283332
DD-CPP KM
10.8
33.28
0.275113
DD-CPP KM
9.4
30.08
0.273956
DD-CPP KM
8.8
28.40
0.269842
DD-CPP KM
7.4
25.08
0.270359
DD-CPP KM
6.1
21.95
0.276522
DD-CPP KM
4.7
21.95
0.3176
17
Hình 3. 14 Khảo sát HOL tại từng giai đoạn khai thác, từ năm 2019 đến năm 2028
(tương ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn) tại đường kính d = 5.4 inch
-
Từ hình 3.14, với đường kính d = 5.4 inch mà nhóm đã chọn thì dọc theo tuyến
ống ở mỗi giai đoạn, lượng lỏng tích tụ (HOL) biến động nhiều ở đầu vào đường
ống đến khoảng 200m, trong khoảng từ 200m đến 5050m thì lượng HOL tăng
dần. Từ 5050m trở đi, lượng HOL này tăng nhẹ. Nguyên nhân là do sự thay đổi
độ độ dốc đường ống, tổn thất áp suất làm cho tốc độ dịng khí giảm. Mặt khác,
càng về sau đường ống nhiệt độ càng giảm do trao đổi nhiệt với mơi trường bên
ngồi cũng là nguyên nhân gây ra lượng HOL tăng lên ở các đoạn ống phía sau
của tuyến ống. So sánh các giai đoạn khai thác với nhau, càng về sau lượng HOL
tăng lên nhiều, vì lưu lượng và tốc độ dịng khí ở các giai đoạn về sau giảm dẫn
đến áp trong ống giảm không đủ lực kéo để lôi cuốn lượng HOL này đi theo.
Hình 3. 15 Khảo sát LIQC trên section 1 tại từng giai đoạn khai thác, từ năm 2019
đến năm 2028 (tương ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn) tại đường kính d = 5.4
inch với thời gian khảo sát trên OLGA là 10 phút.
18
