với phát triển ngành công nghiệp dầu khí phần mềm mơ phỏng, khảo sát đường ống chế độ dịng chảy vơ phát triển Hai số phần mềm PVTSIM OLGA Với hội học, tìm hiểu lý thuyết thực hành với hai phần mềm, sinh viên ngành Kĩ thuật hóa học, đặc biệt chuyên ngành Lọc – Hóa dầu có kiến thức chuyên sâu việc sử dụng phần mềm PVTSIM để làm liệu đầu vào cho phần mềm OLGA, sử dụng OLGA để khảo sát thông số thường nhắc đến lớp nhiệt độ, áp suất hay vấn đề thường gặp tạo hydrate, tạo sáp, tạo slug hay lỏng tích tụ…đặc biệt qua tiểu luận với liệu thông số tuyến đường ống Đầm Dơi – Khánh Mỹ
TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM PVTSIM VÀ OLGA
Tổng quan về phần mềm PVTSIM
PVTSIM là phần mềm mô phỏng PVT đa năng, được thiết kế dành cho kỹ sư vỉa, chuyên gia khảo sát dòng chảy và kỹ sư công nghệ trong ngành dầu khí Phần mềm này được phát triển dựa trên dữ liệu phong phú thu thập trong hơn 25 năm, giúp tích hợp thông tin từ các nghiên cứu thử nghiệm vào mô phỏng một cách nhất quán, bảo đảm không làm mất đi những thông tin quý giá trong quá trình thực hiện.
Trong các nghiên cứu đảm bảo dòng chảy trong OLGA, PVTSIM đóng vai trò là dữ liệu đầu vào quan trọng PVTSIM tạo ra cơ sở dữ liệu cho các thuộc tính của dòng lưu chất đầu vào, bao gồm thành phần dòng, phạm vi nhiệt độ và áp suất Ngoài ra, PVTSIM cũng có khả năng tạo ra các thông tin như đường cong hydrat, liều lượng chất ức chế tạo hydrat và quá trình hình thành sáp.
Tổng quan về phần mềm OLGA
Đảm bảo an toàn dòng chảy là yếu tố quan trọng trong ngành dầu khí, vì vậy việc mô phỏng và mô hình hóa dòng chảy trong ống là cần thiết để đánh giá các tính chất và đặc điểm của dòng chảy từ vỉa đến nơi tiếp nhận Phần mềm OLGA đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện những công việc này.
+ Điều khiển lỏng trong ống;
Thiết kế thiết bị tách và slug catchers đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống ống dẫn, bao gồm việc lựa chọn các thông số phù hợp như đường kính, vật liệu và độ dày ống Đồng thời, việc kiểm soát sự hình thành các chất rắn như hydrate và sáp trong ống cũng là yếu tố cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống.
+ 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 môi trường tới dòng chất lưu trong đường ống (đặc biệt là đường ống ở ngoài biển)
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 được giao, nhóm đã thực hiện việc nhập liệu, mô phỏng và khảo sát tuyến đường ống dẫn khí từ giàn Đầm Dơi đến giàn Semi CPP Khánh.
Mỹ dựa trên các nội dung:
- Chọn đường kính ống tuyến Đầm Dơi – Khánh Mỹ phù hợp;
Khảo sát tỉ lệ tốc độ mài mòn EVR, tốc độ dòng khí UG, lượng lỏng tích tụ, hiện tượng tạo sáp và hydrat, cùng với sự thay đổi nhiệt độ và áp suất dọc theo tuyến ống (TM và PT) là những yếu tố quan trọng trong quá trình khai thác mỏ Nghiên cứu chế độ dòng chảy (ID) qua các giai đoạn này giúp tối ưu hóa hiệu suất khai thác và quản lý tài nguyên hiệu quả.
Nhóm đã phân tích và đánh giá kết quả từ năm 2019 đến 2028 để xác định xem tuyến ống với đường kính đã chọn có đảm bảo vận hành ổn định trong suốt quá trình khai thác mỏ hay không.
QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN
Xác định EVR
EVR, hay tỉ số tốc độ mài mòn (Erosional Velocity Ratio), là một thông số thiết kế quan trọng trong việc xác định kích thước ống dẫn và bể chứa EVR được tính bằng tỉ số giữa tốc độ thực của chất lưu và tốc độ mài mòn lớn nhất mà chất lưu có thể gây ra khi chảy trong ống.
- Công thức xác định EVR:
+ 𝑉 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 : tốc độ thực của chất lưu;
+ 𝑉 𝑚𝑎𝑥 : tốc độ mài mòn lớn nhất gây ra bởi chất lưu
Nếu EVR > 1, tức là tốc độ dòng lưu chất trong ống lớn hơn tốc độ mài mòn tối đa do chính dòng chất đó gây ra, sẽ dẫn đến hiện tượng mài mòn bên trong ống Ngược lại, khi EVR < 1, không xảy ra hiện tượng mài mòn trong ống.
- Vận tốc 𝑉 𝑚𝑎𝑥 được tính toán đựa trên tiêu chuẩn API R14E theo công thức sau:
C = 121.99: hằng số thực nghiệm (đối với chất lưu không có cát;
𝜌 𝑔 : tỉ trọng của chất khí (kg/m 3 );
𝜌 𝑙 : tỉ trọng của chất lỏng (kg/m 3 );
𝑈 𝑠𝑔 : tốc độ bề mặt của chất khí – gas (m/s);
𝑈 𝑠𝑙 : tốc độ bề mặt của màng lỏng – liquid film (m/s);
𝑈 𝑠𝑑 : tốc độ bề mặt của giọt lỏng – liquid droplet (m/s)
- Từ các công thức trên, ta rút gọn được công thức:
Bỏ qua ảnh hưởng của pha lỏng và giọt lỏng trong ống dẫn khí, công thức cho thấy EVR tỷ lệ thuận với 𝑈 𝑠𝑔 và 𝜌 𝑔.
Tốc độ dòng khí và tỉ trọng dòng khí đều có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ mài mòn trong hệ thống EVR Khi tốc độ dòng khí tăng, các phân tử khí di chuyển nhanh hơn, dẫn đến sự gia tăng tốc độ mài mòn Tương tự, khi tỉ trọng dòng khí cao, số lượng phân tử khí tiếp xúc với bề mặt bên trong ống cũng tăng, từ đó làm tăng tốc độ mài mòn.
Mối liên hệ giữa tỉ trọng, nhiệt độ và thành phần khối lượng pha khí trong mỏ Đầm Dơi được phân tích tại áp suất 60 bara và 20 bara, nhằm làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến tỉ trọng khí trong điều kiện cụ thể.
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 của dòng khí và dòng dầu giảm dần khi nhiệt độ tăng Ở nhiệt độ thấp, khối lượng pha khí trong hỗn hợp khí/dầu chiếm tỷ lệ thấp hơn so với ở nhiệt độ cao.
+ 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:
Trong giai đoạn đầu khai thác tuyến đường ống DD – CPP KM từ năm 2019 đến 2021, chúng ta đã xem xét ba đường kính 6 inch, 16 inch và 26 inch Tại lưu lượng khối lượng 13.5 kg/s và áp suất đầu tiếp nhận tại Khánh Mỹ là 40.68 bar, đã thu được đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa các thông số này.
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
Theo đồ thị, khi đường kính giảm, chỉ số EVR và tốc độ dòng khí UG tăng cao Sự giảm đường kính làm tăng áp suất trong ống, dẫn đến mật độ phân tử khí di chuyển qua tiết diện ngang tăng, từ đó làm gia tăng tốc độ mài mòn.
3.1.2 Khảo sát EVR theo tốc độ dòng khí UG:
+ Xét tuyến ống có đường kính là 16 inch, ta có đồ thị:
Hình 3 5 Mối liên hệ giữa EVR và UG
Theo đồ thị, khi đường kính khảo sát không thay đổi, EVR giảm khi UG giảm Sự giảm tốc độ dòng khí trong ống dẫn đến giảm mật độ và tốc độ của các phân tử khí tiếp xúc với bề mặt ống, làm giảm ma sát giữa dòng khí và bề mặt ống, từ đó giảm tốc độ mài mòn.
3.1.3 Khảo sát EVR theo lưu lượng khối Mass Flow:
Xét tuyến ống đường kính 16 inch, khảo sát diễn ra ở hai giai đoạn: giai đoạn đầu với lưu lượng khí 13.5 kg/s và giai đoạn cuối với lưu lượng khí 4.7 kg/s Kết quả khảo sát được thể hiện qua 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
Trong giai đoạn đầu, lưu lượng khối và tốc độ dòng khí UG cao hơn giai đoạn cuối, khiến mật độ và tốc độ di chuyển của các phân tử khí trong ống tăng lên, dẫn đến mức độ mài mòn cao hơn.
Chọn đường kính ống tuyến Đầm Dơi – Khánh Mỹ phù hợp
Trong thiết kế đường ống, việc chọn kích thước ống dựa vào tính toán thủy lực để xác định đường kính trong, nhằm vận chuyển lượng khí cần thiết với tổn thất áp suất cho phép Cần tính toán và khảo sát đường kính ống theo áp suất đầu vào, đảm bảo áp suất đầu vào không vượt quá áp suất vỉa 118.04 bar.
Các yếu tố như sự mài mòn, sự hình thành hydrate và chế độ dòng chảy đều ảnh hưởng trực tiếp đến việc lựa chọn đường kính ống Do đó, việc khảo sát các thông số như tỉ số tốc độ mài mòn (EVR), sự hình thành hydrat thông qua biến chênh lệch giữa nhiệt độ tạo hydrate và nhiệt độ dòng khí (DTHYD), cùng với chế độ dòng chảy là rất cần thiết.
Khi khảo sát và tính toán, việc lựa chọn đường kính ống nhỏ nhất là rất quan trọng vì ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí đầu tư Trong giới hạn cho phép, nếu đảm bảo hiệu quả kinh tế và cân bằng các yếu tố liên quan, việc chọn đường kính ống nhỏ hơn sẽ giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư.
- Đối với loại ống thép tiêu chuẩn ANSI SCH80s như đã cho, áp suất thiết kế cao
Khi áp suất đạt 160 barg, việc chọn đường kính ống nhỏ là khả thi Tuy nhiên, nếu đường kính quá nhỏ, tốc độ dòng khí sẽ tăng cao, dẫn đến tỷ lệ mài mòn gia tăng (EVR >1 sẽ gây ra mài mòn) Ngoài ra, có thể xuất hiện hiện tượng hydrate hoặc các vấn đề khác cần được khảo sát Các vấn đề này sẽ được phân tích thông qua các thông số - Nghiên cứu tham số (số liệu, biểu đồ, phân tích).
Sau khi thực hiện tính toán và khảo sát sơ bộ, nhóm quyết định lựa chọn đường kính tối ưu nằm trong khoảng từ 5 inch đến 6 inch, với bước nhảy 0.2 inch Do đó, 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.
3.2.1 Đánh giá tỉ lệ tốc độ mài mòn EVR
Hình 3 7 Khảo sát EVR với các đường kính trong khoảng từ 5 inch đến 6 inch
Khi EVR lớn hơn 1, hiện tượng mài mòn sẽ xảy ra, và EVR có mối liên hệ trực tiếp với lưu lượng khí UG Thời điểm lưu lượng đạt mức cao nhất cũng chính là thời điểm dễ xảy ra mài mòn nhất.
Theo đồ thị, trên toàn tuyến đường ống với đường kính 5.4 inch, chỉ số EVR luôn nhỏ hơn 1 Trong khi đó, với đường kính nhỏ hơn như 5 inch hay 5.2 inch, mặc dù hơn 95% chiều dài đường ống không bị mài mòn, nhưng chỉ số EVR lại tăng dần và vượt qua 1 khi đến nơi tiếp nhận.
EVR chỉ nhỏ hơn 1 trong toàn bộ chiều dài ống với đường kính từ 5.4 inch đến 6 inch Tuy nhiên, để giảm chi phí đầu tư, chúng ta thường lựa 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 dòng khí – DTHYD
Hình 3 8 Khảo sát sự tạo thành hydrate với các đường kính trong khoảng 5 inch đến 6 inch
Công thức DTHYD = Thydrate formation – Tfluid cho thấy rằng giá trị DTHYD lớn hơn 0 khi nhiệt độ dòng khí thấp hơn nhiệt độ tạo thành hydrate Thông thường, biên an toàn được khuyến nghị là 5 o C, và giá trị không mong muốn khi vận hành đường ống là DTHYD > -5 o C.
Theo hình 3.8, đối với đường ống có đường kính 5 inch, DTHYD = -4.8 o C tại vị trí 10182.6 m cho thấy hydrate sẽ xuất hiện ở cuối đường ống Ngược lại, với đường kính 5.2 inch, DTHYD = -7.3 o C tại cùng vị trí này vẫn chưa tạo ra hydrate Điều này cho thấy rằng với đường kính từ 5.2 inch trở lên, giá trị DTHYD đã giảm xuống dưới -5 o C, và đường kính 5.4 inch cũng được coi là phù hợp trong trường hợp này.
3.2.3 Đánh giá chế độ dòng chảy :
Hình 3 9 Khảo sát chế độ dòng chảy với các đường kính trong khoảng 5 inch đến 5.8 inch
Biến ID – Flow Regime Indicator đóng vai trò quan trọng trong việc xác định đường kính của ống, vì nó xác định các chế độ dòng chảy khác nhau Trong hệ thống ống, có bốn chế độ dòng chảy chính cần được xem xét.
+ Stratified Wavy Flow – Chảy phân tầng;
+ Annular Flow – Chảy hình khuyên;
+ Hydrodynamic Slug Flow – Có Slug;
+ Dispersed Bubble Flow – Dòng chảy có phân tán bọt khí
Hình 3 10 Giản đồ dòng chảy nằm ngang
Dựa vào hình 3.9 và hình 3.10, có thể nhận thấy rằng trong khoảng đường kính từ 5 inch đến 5.8 inch, các đường ID trùng nhau và nằm ngang suốt chiều dài ống, dẫn đến dòng khí hoạt động ở chế độ phân tầng Do đó, đường kính 5.4 inch cho phép duy trì chế độ dòng chảy phân tầng ổn định.
Kết luận: Qua việc khảo sát các thông số EVR, DTHYD và ID, đường kính 5.4 inch đã được chọn lựa do khả năng hạn chế mài mòn dọc theo chiều dài ống, không tạo ra hydrate và đảm bảo chế độ dòng chảy ổn định.
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
Presure at CPP KM (bar)
2028 trở đi DD-CPP KM 4.7 21.95 0.475946
Tỉ số tốc độ mài mòn EVR phụ thuộc vào tốc độ và tỉ trọng dòng khí trong đường ống, cũng như sự phân tán của các phân tử khí, bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và áp suất Trong quá trình khai thác mỏ từ năm 2019 đến 2028, lưu lượng khối và áp suất vỉa sẽ giảm theo thời gian, tùy thuộc vào công nghệ khai thác Khi trữ lượng và lưu lượng dòng khí giảm, tốc độ dòng và áp suất vỉa cũng sẽ giảm, dẫn đến áp suất tại nơi tiếp nhận cũng bị ảnh hưởng.
Từ đó kết luận EVR sẽ giảm dần theo thời gian khai thác
Khi tiến hành khảo sát, việc chọn vị trí đầu đường ống là rất quan trọng do tại đây có áp suất và lưu lượng dòng khí cao, thuận lợi cho việc phân tích số liệu Do đó, nhóm khảo sát đã thực hiện tại vị trí Section 2 của Pipe 1, với đường kính và áp suất đầu giàn Khánh Mỹ như đã được đề cập trong đề bài.
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
Theo hình 3.11, với đường kính ống 16 inch, EVR giảm dần qua các giai đoạn khai thác Cụ thể, ở giai đoạn đầu - Case SS - từ năm 2019 đến 2021, EVR đạt khoảng 0.18 với lưu lượng khối 13.5 kg/s, nhưng đến giai đoạn cuối - SS - từ năm 2028 trở đi, EVR chỉ còn 0.06 khi lưu lượng khối giảm xuống 4.7 kg/s.
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 5.4 inch, nhóm nghiên cứu nhận thấy EVR giảm dần qua các giai đoạn khai thác Cụ thể, tại cuối đường ống, EVR giảm từ khoảng 0.9 ở giai đoạn đầu (Case SS) trong năm 2019 với lưu lượng khối 13.5 kg/s xuống còn 0.4 ở giai đoạn cuối.
SS – 8 năm 2028 trở đi với lưu lượng khối là 4.7 kg/s
Càng về cuối đường ống, EVR có xu hướng tăng do tỉ lệ thuận với UG Khi vận hành, nhiệt độ giảm dần theo chiều dài đường ống, dẫn đến lượng lỏng ngưng tụ nhiều hơn và tiết diện dòng khí giảm, làm tăng tốc độ dòng khí UG, từ đó làm tăng EVR Việc lựa chọn đường kính phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo EVR vẫn dưới 1, giúp tối ưu hóa quá trình vận hành Đối với các đường kính lớn, độ tăng EVR ở cuối đường ống không đáng kể.
Khảo sát tốc độ dòng khí UG qua các giai đoạn trong quá trình khai thác mỏ
Bảng 3 2 Giá trị UG qua các giai đoạn khai thác mỏ
Presure at CPP KM (bar)
2028 trở đi DD-CPP KM 4.7 21.95 10.54808
Tốc độ dòng khí UG bị ảnh hưởng chủ yếu bởi áp suất, cùng với một phần nhỏ từ nhiệt độ Áp suất được xác định bởi mật độ các phân tử tác động lên một tiết diện, do đó, mật độ các phân tử di chuyển và lưu lượng dòng khí trong ống dẫn có tác động trực tiếp đến UG.
+ QGA: lưu lượng dòng khí thực tế trong đường ống;
+ Ap: tiết diện ngang của đường ống
Khi nhiệt độ tăng, 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 tăng, làm tăng tốc độ dòng khí Ngược lại, khi nhiệt độ giảm quá thấp, các phân tử khí giảm độ linh động và có thể chuyển sang trạng thái lỏng-khí, dẫn đến giảm vận tốc dòng Tuy nhiên, nhiệt độ của dòng khí thường trao đổi nhiệt với môi trường và mất mát do quá trình truyền nhiệt qua đường ống, do đó, ít ảnh hưởng đến tốc độ dòng khí.
Khi chênh lệch áp suất giữa đầu vào và đầu ra của đường ống dẫn khí tăng lên, áp suất trong ống cũng tăng theo, dẫn đến tốc độ dòng khí cao hơn Tuy nhiên, tốc độ dòng khí cần được kiểm soát trong một giới hạn nhất định để đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành, không được để quá cao hoặc quá thấp.
Tốc độ dòng khí cao giúp giảm lượng lỏng tích tụ và hiện tượng slug, nhưng đồng thời cũng làm tăng tốc độ mài mòn Khi tốc độ dòng khí vượt quá mức cho phép, mật độ các phân tử khí sẽ gia tăng, dẫn đến sự ma sát cao hơn.
15 đường ống trên một tiết diện càng cao, dẫn đến quá trình mài mòn xảy ra mạnh hơn;
+ Ngược lại, tốc độ dòng khí thấp, không 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 suất cao, sự hình thành hydrate có thể xảy ra, gây ra tắc nghẽn trong đường ống Điều này làm tăng ma sát với thành ống, dẫn đến tốc độ mài mòn nhanh hơn và giảm tốc độ dòng khí.
Khi nhiệt độ giảm, sáp có thể hình thành và bám lên thành ống, làm tăng độ nhám của bề mặt Sự gia tăng độ nhám này dẫn đến việc giảm tốc độ dòng khí trong ống.
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 5.4 inch, nhóm đã nhận thấy rằng vận tốc UG trong toàn bộ đường ống giảm dần qua các giai đoạn khai thác Cụ thể, tại cuối đường ống, vận tốc UG giảm từ khoảng 15 m/s trong giai đoạn đầu (Case SS – 1, năm 2019 – 2021) với lưu lượng khối 13.5 kg/s xuống còn khoảng 10.5 m/s ở giai đoạn cuối (SS – 8, từ năm 2028 trở đi) với lưu lượng khối là 4.7 kg/s.
Cuối đường ống, UG có xu hướng tăng, điều này có thể được giải thích bởi sự phụ thuộc của UG vào các yếu tố khác như nhiệt độ vận hành và lượng lỏng tích tụ.
Càng tiến sâu vào đường ống, nhiệt độ giảm và lượng lỏng tích tụ tăng lên, dẫn đến việc giảm tiết diện mà dòng khí phải đi qua.
16 giảm thì tốc độ dòng khí tăng Nhưng với đường kính lớn thì tốc độ dòng khí sẽ tăng không đáng kể.
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
Dòng chảy 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 có ảnh hưởng trung bình đến hiệu suất, trong khi đường kính ống lại thể hiện ảnh hưởng yếu Tuy nhiên, khi vận tốc khí tăng lên, ảnh hưởng mạnh mẽ đến hiệu suất cũng trở nên rõ rệt Sự kết hợp giữa vận tốc khí và đường kính ống cần được xem xét kỹ lưỡng để tối ưu hóa hiệu quả hoạt động.
Góc nghiêng Ảnh hưởng trung bình Ảnh hưởng yếu Ảnh hưởng rất mạnh
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 dòng chảy
Tốc độ dòng khí có ảnh hưởng lớn đến lượng chất lỏng tích tụ (Liquid holdup - HOL) trong quá trình vận chuyển Trong quá trình này, có thể xảy ra hiện tượng tổn thất áp suất do ma sát, thay đổi độ dốc, và sự thay đổi các thông số vận hành khi đi qua van Joule – Thompson Ngoài ra, việc thất thoát nhiệt do quá trình trao đổi nhiệt với môi trường cũng ảnh hưởng đến sự tích tụ chất lỏng và mức độ mất áp.
3.5.1 Nguyên nhân tạo Liquid Holdup:
Pha lỏng thường được vận chuyển nhờ lực kéo từ pha khí Tuy nhiên, ở những đoạn dốc của đường ống, cần phải gia tăng lực kéo để đảm bảo quá trình vận chuyển diễn ra hiệu quả.
Để đưa lỏng lên dốc, cần phải vượt qua cả ma sát và lực hấp dẫn, vì vậy việc xem xét địa hình cho đường ống là rất quan trọng để dự đoán vị trí các hố ga lỏng.
Khi lưu lượng khí trong ống giảm, holdup tăng nhanh chóng, điều này cho thấy rằng holdup phụ thuộc nhiều vào vận tốc khí so với lượng chất lỏng trong dòng Ở một vận tốc quét nhất định, holdup chỉ giảm nhẹ khi vận tốc khí tăng, cho thấy rằng trong điều kiện này, holdup chủ yếu phụ thuộc vào lượng lỏng có trong dòng chảy.
Liquid holdup, hay lượng lỏng tích tụ, là lượng chất lỏng có trong đường ống vận chuyển dòng nhiều pha tại các điều kiện dòng chảy cụ thể Đây là một yếu tố quan trọng trong hoạt động của đường ống, và holdup tại một thời điểm cụ thể sẽ được hình thành dưới dạng một slug.
Bảng 3 4 Giá trị LIQC qua các giai đoạn khai thác
Presure at CPP KM (bar)
2028 trở đi DD-CPP KM 4.7 21.95 0.3176
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
Theo hình 3.14, với đường kính 5.4 inch, lượng lỏng tích tụ (HOL) trong ống có sự biến động rõ rệt Ở đoạn đầu vào ống, HOL thay đổi nhiều đến khoảng 200m, sau đó tăng dần từ 200m đến 5050m, và chỉ tăng nhẹ từ 5050m trở đi Nguyên nhân chính là do sự thay đổi độ dốc của ống và tổn thất áp suất làm giảm tốc độ dòng khí Đồng thời, nhiệt độ giảm dần ở các đoạn ống phía sau do trao đổi nhiệt với môi trường cũng góp phần làm tăng HOL So với các giai đoạn khai thác trước, lượng HOL ở các giai đoạn sau tăng lên nhiều hơn, do lưu lượng và tốc độ dòng khí giảm, dẫn đến áp suất trong ống không đủ để kéo HOL đi.
Khảo sát LIQC trong section 1 được thực hiện từ năm 2019 đến 2028, tương ứng với lưu lượng khối ở từng giai đoạn, với đường kính 5.4 inch và thời gian khảo sát trên OLGA là 10 phút.
Khảo sát LIQC được thực hiện trên section 1 trong giai đoạn khai thác từ năm 2019 đến năm 2028, với lưu lượng khối tương ứng ở từng giai đoạn Đường kính ống được sử dụng là 5.4 inch và thời gian khảo sát trên OLGA là 5 giờ.
Kết quả khảo sát tổng lượng lỏng trong đường ống (LIQC) cho thấy tổng lượng lỏng tại đầu đường ống cao hơn so với giữa ống Lượng lỏng này giảm dần và ổn định hơn ở các đoạn ống tiếp theo, do lưu lượng và tốc độ dòng khí ngày càng ổn định và đủ lớn để đẩy lỏng đi xa hơn.
Khảo sát hiện tượng tạo sáp qua các giai đoạn trong quá trình khai thác mỏ
Sáp là các tinh thể hydrocacbon dài với khối lượng phân tử lớn, được lắng đọng dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định, thường xảy ra ở nhiệt độ thấp.
- Sáp gây thu hẹp đường kính ống, từ đó làm tăng trở lực đường ống, thậm chí có thể gây tắc nghẽn đường ống
- Việc khảo sát các điều kiện tạo sáp là vô cùng quan trọng để đảm bảo đường ống làm việc an toàn, tránh hiện tượng trên
Hình 3 17 Khảo sát điều kiện tạo sáp trong đường ống
Dựa trên đồ thị, có thể thấy rằng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất của đường ống không xảy ra hiện tượng tạo sáp trong suốt quá trình khai thác mỏ Nguyên nhân là do các phân tử trong dòng khí khảo sát không nặng, với phân tử lớn nhất là C15+ chỉ chiếm 0.02% thành phần mol, dẫn đến việc cần nhiệt độ rất thấp, khoảng -35°C và áp suất 1 bara để hình thành sáp.
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
Với đường kính 5.4 inch mà nhóm đã chọn, kết luận cho thấy rằng biến MWXDIS – lượng sáp hòa tan trong dầu trong các giai đoạn khai thác là bằng 0 Điều này chứng tỏ rằng không có sáp hình thành trong đường kính đã chọn.
Wax PT Curve Phase Envelope (Wax) Critical Point (Wax)
Pr es su re , b ar a
Wax PT Curve + Phase Envelope (Wax) Wax PT Curve + Phase Envelope (Wax) Damdoi 1 Damdoi Baitaplon EOS = PR Damdoi 1 Damdoi Baitaplon EOS = PR
Khảo sát hiện tượng tạo hydrate qua các giai đoạn trong quá trình khai thác mỏ
Hydrate là một hợp chất được hình thành từ sự liên kết vật lý giữa nước và các phân tử nhỏ hơn, tạo ra một chất rắn có hình dạng tương tự như băng nhưng có cấu trúc khác biệt.
- Có 3 dạng tinh thể hydrate: I,II,H
+ Các phân tử nhỏ (CH4, C2H6, CO2, H2S) ổn định ở trung tâm tinh thể: cấu trúc I;
+ Phân tử lớn hơn (C3H8, i-C4H10, n-C4H10) tạo thành mạng tinh thể giống kim cương: cấu trúc II;
Paraffin có kích thước lớn hơn n-C4H10 không hình thành cấu trúc hydrate I và II do kích thước phân tử lớn Tuy nhiên, một số iso-paraffin và cyclo-alkan lớn hơn pentane có khả năng tạo thành cấu trúc hydrate H.
Hydrate có thể cản trở dòng chảy của khí, gây ra hiện tượng ăn mòn, đặc biệt khi có sự hiện diện của CO2 và H2S Ngoài ra, hydrate còn chiếm thể tích trong ống dẫn, dẫn đến việc giảm nhiệt trị của khí.
- Điều kiện hình thành hydrate là tại áp suất cao, nhiệt độ thấp Thông thường, hydrate được hình thành ở áp suất trên 10 bara và dưới 25 o C
- Để khảo sát sự tạo thành hydrate trong đường ống, ta thường sử dụng biến DTHYD – sự chênh lệch giữa nhiệt độ tạo hydrate và nhiệt độ dòng khí
Công thức DTHYD = Thydrate formation – Tfluid cho thấy rằng giá trị DTHYD lớn hơn 0 khi nhiệt độ dòng khí thấp hơn nhiệt độ tạo thành hydrate Thông thường, biên an toàn được khuyến nghị là 5 oC Để đảm bảo an toàn trong thiết kế, giá trị DTHYD không nên vượt quá -5 oC, vì điều này chỉ ra rằng có sự hình thành hydrate trong đường ống vận hành.
Để xác định thành phần mol của dòng khí theo đề bài, phương pháp sắc ký không chứa nước được áp dụng Việc khảo sát hydrate yêu cầu tính toán lượng nước bão hòa có thể có trong hỗn hợp hydrocacbon.
Bảng 3 5 Thành phần mol của dòng khí trước và sau khi tính lượng nước bão hòa
Sắc kí Sau khi tính lượng nước bão hòa
C 3 1.50 C 3 1.46 iC 4 0.32 iC 4 0.31 nC 4 0.34 nC 4 0.33 iC5 0.15 iC5 0.15 nC 5 0.09 nC 5 0.09
Hàm lượng nước bão hòa trong dòng khí đạt 2.7%, và khi kết hợp với các hydrocacbon nhẹ dưới điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất cao, sẽ hình thành hydrate, gây cản trở dòng khí trong đường ống.
Hình 3 19 Đồ thị biểu diễn đường cong hydrate của dòng khí trong đường ống tuyến Đầm Dơi – Khánh Mỹ
0.000 mol inhib/mol spec water
Hydrate PT Curve Hydrate PT Curve Damdoi 1 Damdoi Baitaplon EOS = PR Damdoi 1 Damdoi Baitaplon EOS = PR
Trong đồ thị đường cong hydrate, phần hydrate được biểu diễn ở phía trên, bên trái Dựa vào thành phần khí, có thể nhận thấy rằng hydrate hầu như không xuất hiện ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao hoặc thấp (vùng bên phải đường cong) Tuy nhiên, khi nhiệt độ giảm xuống khoảng -10 o C đến 0 o C hoặc ở áp suất cao (khoảng 100 bara đến 200 bara), hydrate sẽ hình thành rõ rệt, đặc biệt khi nhiệt độ ở mức vừa phải (khoảng 15 o C đến 20 o C).
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
Trong giai đoạn khai thác SS từ năm 2019 đến 2021, áp suất cao đã dẫn đến sự gia tăng DTHYD dọc theo chiều dài đường ống, từ khoảng -65 o C đến -8 o C Điều này cho thấy xu hướng hình thành hydrate tăng lên, tuy nhiên vẫn được duy trì ở mức dưới -5 o C.
Với đường kính 5.4 inch mà nhóm đã chọn, nhiệt độ dưới điểm đóng băng (DTHYD) trên toàn bộ đường ống đều nhỏ hơn -5 o C Cụ thể, tại cuối đường ống, DTHYD khoảng -12 o C trong giai đoạn cuối SS – từ năm 2028 trở đi, cho thấy không có sự hình thành hydrate ở đường kính này.
3.8 Khảo sát sự thay đổi nhiệt độ dọc theo tuyến ống (TM) qua các giai đoạn trong quá trình khai thác mỏ
Đường kính ống ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ của dòng lưu chất do diện tích trao đổi nhiệt Khi đường kính ống lớn, thể tích ống cũng tăng, dẫn đến tốc độ dòng lưu chất giảm và thời gian lưu trong ống tăng Kết quả là thời gian trao đổi nhiệt kéo dài, làm tăng thất thoát nhiệt ra môi trường bên ngoài, đặc biệt là ở các đường ống dưới biển.
+ Ống có đường kính lớn thì nhiệt độ dòng chất lưu sẽ giảm mạnh;
Ống có đường kính nhỏ cho phép chất lưu di chuyển với tốc độ cao hơn và thời gian lưu ngắn hơn, dẫn đến sự trao đổi nhiệt ít hơn so với ống có đường kính lớn Tuy nhiên, ở cuối ống, nhiệt độ chất lưu trong ống nhỏ lại thấp hơn do tốc độ dòng chất lưu nhanh khiến cho chất lưu chưa kịp trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài, đặc biệt là trong đoạn ống 13 có nhiệt độ môi trường cao 35 oC.
Hình 3 21 Khảo sát sự thay đổi nhiệt độ theo các đường kính 6 inch, 16 inch và 26 inch
Theo hình 3.21, khi khảo sát dòng chất lưu tại ba đường kính 6 inch, 16 inch và 26 inch, nhiệt độ dòng khí ở đường kính 26 inch là thấp nhất, tiếp theo là 16 inch và cao nhất là ở đường kính 6 inch Tại cuối đường ống, sự chênh lệch nhiệt độ này cũng được ghi nhận rõ rệt.
13 đi lên) thì ngược lại, nhiệt độ cao hơn ở các đường kính nhỏ hơn với nguyên nhân đã giải thích ở trên
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
Theo hình 3.22, nhiệt độ trong ống giảm dần khi tiến về phía cuối đường ống Qua các giai đoạn khai thác mỏ, có thể nhận thấy xu hướng này ngày càng rõ rệt.
Trong thời kỳ khai thác mỏ, nhiệt độ giảm mạnh do áp suất và trữ lượng mỏ giảm, cùng với lưu lượng dòng giảm Tuy nhiên, ở cuối đường ống (đoạn 13), lưu lượng dòng tăng dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ theo quy luật: đường kính lớn hơn sẽ có nhiệt độ cao hơn, trong khi đường kính nhỏ hơn sẽ có nhiệt độ thấp hơn.
Khảo sát sự thay đổi áp suất dọc theo tuyến ống (PT) qua các giai đoạn trong quá trình
trong quá trình khai thác mỏ
Áp suất là một yếu tố quan trọng trong việc xác định đường kính, với đường kính lớn hơn dẫn đến áp suất nhỏ hơn do lưu lượng dòng giảm và mật độ phân tử qua tiết diện giảm Ngược lại, đường kính nhỏ hơn sẽ tạo ra áp suất lớn hơn Cuối quá trình khai thác mỏ, áp suất sẽ giảm dần do giảm trữ lượng chất lỏng và hiện tượng mất áp theo thời gian khai thác của vỉa.
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
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
- Từ hình 3.23 và hình 3.24, ta có thể thấy, với đường kính 26 inch, áp suất qua các giai đoạn khai thác dao động trong khoảng 22.10 bara đến 22.65 bara, thấp
26 hơn nhiều so với áp suất qua các giai đoạn khai thác của đường kính 16 inch, dao động trong khoảng 40.90 bara đến 41.17 bara
Từ năm 2019 đến 2028, quá trình khai thác cho thấy áp suất trong đường ống giảm dần Cụ thể, với đường kính 26 inch, áp suất PT bắt đầu ở mức khoảng 22.65 bara trong giai đoạn đầu (Case SS – 1 năm 2019 – 2021) với lưu lượng khối 13.5 kg/s, và giảm xuống còn khoảng 21.10 bara ở giai đoạn cuối (SS – 8).
2028 trở đi với lưu lượng khối là 4.7 kg/s
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
Với đường kính 5.4 inch, áp suất PT tại đầu giai đoạn khai thác luôn cao nhất và giảm dần qua các giai đoạn Áp suất cũng giảm dọc theo chiều dài đường ống; cụ thể, tại cuối đường ống, PT từ khoảng 40 bara ở giai đoạn đầu (Case SS – 1 năm 2019 – 2021) với lưu lượng 13.5 kg/s giảm xuống còn khoảng 23 bara ở giai đoạn cuối (SS – 8 năm 2028 trở đi) với lưu lượng 4.7 kg/s.
Đoạn đầu và cuối của đường ống thường có sự tích tụ lỏng khác nhau; ở đoạn đầu, với áp suất cao và tốc độ dòng khí lớn, lỏng chỉ tích tụ nhẹ và nhanh chóng bị đẩy đi Tuy nhiên, tại cuối đoạn ống (trước ống 13), sự thay đổi địa hình (ống đi lên) dẫn đến việc lỏng tích tụ nhiều hơn Theo định luật Bernoulli, tổng năng lượng trong chất lưu dọc theo đường dòng là không đổi, từ đó giải thích vì sao áp suất giảm ở cuối đoạn đường ống lại khiến tốc độ dòng khí tăng.
Hình 3 26 Hình ảnh minh họa phương trình định luật Bernoulli
- Phương trình định luật Bernoulli: p1 + 1
+ p là áp suất tại điểm khảo sát;
+ ρ là tỉ trọng của dòng lưu chất;
+ 𝑣 là tốc độ dòng chảy;
+ g là gia tốc trọng trường;
+ h là chiều cao so với gốc tọa độ
Khi lỏng tích tụ trong đường ống, tiết diện dòng khí giảm và áp suất cũng giảm Theo định luật bảo toàn năng lượng trong phương trình Bernoulli, khi áp suất giảm, vận tốc tăng Vì vậy, mặc dù áp suất ở cuối đường ống giảm, nhưng tốc độ dòng khí UG lại tăng.
Khảo sát chế độ dòng chảy (ID) qua các giai đoạn trong quá trình khai thác mỏ 27 1 Mục đích của dự đoán chế độ dòng chảy
3.10.1 Mục đích của dự đoán chế độ dòng chảy:
- Cho biết dòng sẽ hoạt động trong một chế độ dòng chảy ổn định hay không ổn định
- Dự báo lượng lỏng tích tụ và độ giảm áp phụ thuộc vào chế độ dòng chảy
3.10.2 Các chế độ dòng chảy :
+ Xảy ra với tốc độ dòng chảy thấp trong các ống nằm ngang;
+ Lỏng và khí phân chia bởi trọng lực, làm cho chất lỏng chảy trên đáy của ống trong khi dòng khí chảy phía trên nó;
Khi vận tốc khí thấp, bề mặt chất lỏng duy trì trạng thái phẳng, nhưng khi vận tốc khí tăng cao, bề mặt sẽ xuất hiện gợn sóng Đồng thời, hiện tượng các giọt lỏng lơ lửng trong pha khí cũng xảy ra.
+ Xảy ra với tốc độ khí cao trong các hệ thống mà khí chiếm phần lớn;
+ Khi vận tốc tăng, tỉ lệ lỏng bị lôi cuốn theo khí tăng và độ dày lớp chất lỏng giảm
- Dòng chảy bong bóng phân tán:
+ Xảy ra ở tốc độ dòng cao trong các hệ thống mà lỏng chiếm phần lớn
+ Dòng chảy bong bóng phân tán thường xảy ra trong giếng dầu
- + Có thể xảy ra ở góc nghiêng bất kỳ
Dòng Slug chảy ngang thường xảy ra khi tốc độ vận chuyển khí và lỏng ở mức vừa phải, với sự hình thành slug do sự đứt gãy hơi ở độ cao, gây ra sự phát triển của sóng trên bề mặt chất lỏng, đủ để chắn hoàn toàn đường ống Ngoài ra, dòng Slug cũng có thể xuất hiện trong dòng chảy gần thẳng đứng, nhưng cơ chế khởi đầu khác, khi dòng chảy bao gồm chuỗi slug và bong bóng hình viên đạn (bong bóng Taylor) luân phiên chảy qua đường ống.
+ Dòng chảy slug thường xảy ra ở các phần nghiêng về hướng lên trên của đường ống
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
Trong OLGA, các chế độ chảy được xác định bằng ID, trong đó: ID 1 tương ứng với chế độ chảy tầng, ID 2 là chế độ chảy hình khuyên, ID 3 là chế độ slug và ID 4 là chế độ chảy bọt phân tán.
Với đường kính 5.4 inch, nhóm đã xác định rằng chế độ dòng chảy tại đầu vào và đầu ra ống trong các giai đoạn khai thác là dòng chảy vành khăn, do đây là ống vận chuyển khí Dòng khí vào và ra khỏi ống chưa ổn định, trong khi chế độ dòng chảy dọc theo tuyến ống và trong các giai đoạn khai thác của mỏ lại là dòng chảy phân tầng và hoạt động khá ổn định.
