Khảo sát cơ chế và đề xuất phương án kiểm soát hiện tượng nút lỏng trong đường ống nội mỏ

I H C QU C GIA TP H CHÍ MINH I H C BÁCH KHOA KHOA K THU A CH T VÀ D U KHÍ C KH ÁN KI M SOÁT HI NG XU NG NÚT L NG NG N I M Ngành: K thu t Khoan, Khai thác Cơng ngh d u khí Mã ngành: 605350 LU TP H CS CHÍ MINH, THÁNG 7/2013 c hồn thành t i: Cán b i hoc Bách Khoa ng d n khoa h c: TS Mai Cao Lân (Ghi rõ h , tên, h c hàm, h c v ch ký) Cán b ch m nh n xét 1: TS Tr (Ghi rõ h , tên, h c hàm, h c v ch ký) Cán b ch m nh n xét 2: TS Nguy n H u Nhân (Ghi rõ h , tên, h c hàm, h c v ch ký) Lu cb ov t iH IH NG CH M B O V LU CS Thành ph n H c s g m: Xác nh n c a Ch t ch H ng Khoa qu n lý chuyên ngành sau lu c s a ch a (n u có) CH T CH H NG NG KHOA i i h c Qu c Gia Tp.HCM i h c Bách Khoa Tp.HCM C NG HÒA XÃ H I CH c l p T T NAM H nh phúc S NHI M V LU H tên : CS C MSHV: 11370657 : 11/03/1981 Chuyên ngành : Thanh Hóa : K thu t khoan, khai thác cơng ngh d u khí I TÀI: KH XU NG NÚT L II NG M SOÁT HI N NG N I M NHI M V VÀ N I DUNG: Kh hình thành dịng ch y nút l ng Xây d ng mơ hình dịng ch y nút l m X ng ng v n chuy n d u n i Kh nút l ng xu t bi n pháp ki m sốt dịng ch y III NGÀY GIAO NHI M V : 02/07/2012 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 21/06/2013 V H VÀ TÊN CÁN B N NG D N: TS Mai Cao Lân cs CÁN B NG D N cH ng Chuyên ngành thơng qua CH NHI M B MƠN QU N LÝ CHUYÊN NGÀNH (H tên ch ký) (H tên ch ký) KHOA QU N LÝ CHUYÊNNGÀNH (H tên ch ký) ii L IC hoàn thành lu c viên xin chân thành c cs ng d n t n tình t th y TS Mai Cao Lân H c viên r t trân tr ng kho ng th i gian quý bá c làm vi c nh n s ng d n c a th y H c viên xin bày t s bi n t p th cán b gi khí, i h su t th i gian h c viên h c t p t c bi t, tác gi xin g i l i c c hoàn thành m t cách xu t s c t khí Qu c Gia Vi t Nam Do s a ch t & D u ih c ng quan tâm h tr s li thành viên thu c t h n ch v s li u, tài li u c n b o m t c n k t qu th c ti n Mong quý th y, cô thông c m, h tr h c t p công vi c hi n t i lu lu n u u nh c iii TÓM T T LU V n chuy n d u khí v n chuy n dòng ch y d u/ kh i m v n u d án d u khí Vi t Nam th gi i b i nh ng h u qu ng mà chúng mang l i vô l n n ng n ch dòng ch y t o nút l ng Dòng ch y sinh nút l ng s làm t ng t h ngu ng l ng này, thi t b h ngu n c a ng ng không th ch ng l ng ph t v , làm h th u n giàn, tàu ch a ho c nhà máy ti p nh n d t ng t, kh n c p ho c x u h v n , tràn d ng hinh thành dòng ch y nút l H X: ng ng v n chuy n d u n i m X Mô ph ng ho ng c ng xu t gi i pháp kh ng ch u ch nh nút l ng ài: c mơ hình tính toán nút l - Xây d ng ng v n chuy n d u khí n i m X; - Mô ph ng ho ng c ng ng n i m X v i nhi nh m kh o sát y u t n dòng ch y nút l xu kh ng ch dòng ch y nút l ng m t cách hi u qu P án h n ch lo i tr dòng ch y t o nút l ng c xu t bao g m tìm hi u, nghiên c u h n ch nút khí b u n, mơ ph ng ho ng c a iv ng ng d n d u khí b ng ph n m m OLGA cho ch van khác (100%, 15%, 5%) nh ng ch dòng ch y nút l ng th y van m 5%, 15% dòng ch y s t nhi u van m 100% Ngoài ra, vi c s d u n áp su ng cu ng ng d n d u có th gi m ho c lo i b y t o nút l ng gây v viii x xi M U tv tài M c tiêu c a lu N i dung nghiên c u u ng nghiên c u Ph m vi nghiên c u Các cơng trình nghiên c u có liên quan c c ti n - LÝ THUY T VÀ TÍNH TỐN Q TRÌNH DÒNG CH Y T O N T CH T L NG 1.1 T o nút l ng ng n m ngang 1.1.1 Khái ni m nút l ng 1.1.2 1.1.3 Lý thuy ng ng n m ngang 1.1.4 Mô hình t o nút l ng m t s m nh n bi t nút l ng hình thành 1.1.5 Phân tích ch ng cho ng d n d u n m ngang 13 1.2 Lý thuyêt hi ng t o nút l ng ng d n th t o nút l ng th ng (riser) 16 ng 16 1.2.2 Lý thuy t tính tốn nút l ng ng th ng ch n mơ hình tính tốn 17 vi - TÍNH TỐN VÀ HI U CH NH MƠ HÌNH TÍNH TOÁN NÚT L NG 22 b ng ng d n d u d án X 22 2.2 Tính toán nút l ng 23 2.2.1 Tính tốn thơng s th y l 2.2.2 Tính tốn hi n 24 ng t o nút l ng hi u ch nh mơ hình v i k t qu th c nghi m 25 2.2.3 Phân tích bi n nh n dòng ch y nút l ng 41 - N CH TÁC H I DÒNG CH Y NÚT L NG 44 3.1 Các p ng ch nút l ng 44 lý thuy t trình kh ng ch nút l ng b 3.3 C i thi n dòng ch y nút l ng b ng v u n 45 u n 47 K T LU N 51 KI N NGH 53 Tài li u tham kh o 55 vii DANH M C HÌNH V Hình s 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 3.1 3.2 3.3 3.4 Tên hình T o nút l ng ng n m ngang Cân b ng v t ch t h hai pha th th hi y c a Beggs& Brill (1973) th th hi n ch dòng c a Taitel and Dukler Mơ hình thí nghi m Taitel Dukler Di n tích phân pha dịng ch y hai pha hình thành nút l ng ng th ng Mơ hình nút l ng t o thành cho ng th ng ng Cân b ng h l y c t l ng M t c t dòng ch y d ng phân pha Hi n tr ng slug t i giàn X nh l ng chi Dukler So sánh mơ hình H&W B&B So sánh chi u dài nút l ng nguyên lý l y m u trích xu t t ng Hysys th so sánh mơ hình hi u ch nh d a th tích l ng tính tốn k t qu th c t th so sánh s khác chuu k t o nút l ng chi u dài t o nút l ng Mơ hình mơ ph ng OLGA ng c ng kính n dịng ch y nút l ng ng kính n dòng ch y nút l ng ng áp su n dòng ch y nút l ng ng áp su n dòng ch y nút l ng ng c n dòng ch y nút l ng n dòng ch y nút l ng ng l n dòng ch y nút l ng ng l n dòng ch y nút l ng Mơ hình cân b ng áp su ng ng th ng Mơ hình tính tốn cân b ng áp su t dòng ch y ng th ng ng u n dòng ch y nút l ng ng l yv b ng ngu n van m 100% Trang 10 11 12 13 16 17 18 20 23 29 31 32 33 37 38 39 39 39 40 40 41 41 42 42 45 46 47 48 viii 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 ng l y v b tách t ng ngu n van m 15% ng l yv b ng ngu n van m 5% th so sánh s nh dòng ch y th bi u hi n th tích l ng b ng ngu n ph i ch a (liquid holdup) Vulume) 49 48 49 49 54 54 ix c MSHV:11370657 3.2 : Hình 3.1 Mơ hình cân b ng áp su ng ng th ng G i: l chi n ng d n d u h chi u cao ng th ng n khí chi ng ng n m ngang n khí chi ng th ng y c ng ng th ng Ta nh n th y r ng, áp l c c t áp th ng l yt i chân c t l ng s khơng hình thành ch y nút l ng ng th ng, hay nói cách khác, n u áp su u thi t b Ps l n kh ng ch hi ng ch y nút l ng x y Ch y nút l ng sinh áp l c khí ó, ta có th xét m n Xét cân b ng áp su iv th ng t i m t c t chân ng th ng u thi t b ng ngu ng [3]: F = [(Ps L [Ps (3.1) L.g (h-y)] ch áp l c gi a dòng ch y gây b i chân ng th ng u thi t b tách.N ng ch y nút l ng s t ng n v h, khí b y l ng ph t vào bình tách T rình 3.1, ta nh n th y r y l n nh t t tc l y v b n ch a Q trình dịng ch y ph t l ng x v i m i y hay [3]: (3.2) n biên s (3.3) L Lu t tr ng c a l ng c Trang 45 c MSHV:11370657 P0 áp su t khí quy n T yr n áp su t th a mãn y lo i b c hoàn toàn ch y t o nút l y nút l ng s gi m n nút l ng s u dài ng d chi u cao ng th ng N ug n l ng chi ng th ng b qua áp su t th y l c gây b i khí thì, t tr ng ch y u c a l ng s c vi t L thành: a vi c thêm van th u gi m hi ng ch y nút l ng Hình 3.2 Mơ hình tính tốn cân b y ng th ng trên, hi ng ch y nút l ng s h n ch n u dài ng, hay tr l ng ng th a vào lý thuy t n u l p thêm m u n th l ng ng th ng s gi m c ch y nút l ng Mơ hình xây d ng h th ng kh ng ch nút l i h th ng s c c k nguy hi m n nh gây tràn b ch iv i nh ng h th u t cu i ng th ng riser tín hi u n s l y t chân ng th y áp l c c a h Lu c Trang 46 c MSHV:11370657 th c chuy n v h th u n, tín hi c so sánh v i giá tr áp su t mong mu tránh hình thành hay h n ch nút l ng, chênh l ch gi a hai giá tr s ng (quy m van hay van s t o tr l l kh ng ch nút l ng iv ng ng dài tín hi ng thu t u ngu n ng d n, ng h p ng dài có th i chân ng th ng nh u v x c minh h a b ng hình v sau: Hình 3.3 u n dòng ch y nút l ng 3.3 C i thi n dịng ch y nút khí b ng va u n: T lý thuy t nêu trên, nh n th y r ng, có th gi m th tích b n ch a thi t b ch u ngu n b ng cách g u n áp su ng c a ng ng d n d u/khí tài s kh o sát s ng l ng b ch ng ngu m van th t dòng cu i nh n th y kh ng ch dòng ch y nút l ng b u n M t khác, s s c i thi c tính ch y nh c a dịng ch y h n ch c tính c a ch dịng ch y v i nút l ng tài s d ng ph n m m mơ ph ng dịng ch y OLGA c kh Lu c Trang 47 c Lu MSHV:11370657 Hình 3.4 ng l yv b ng ngu n van m 100% Hình 3.5 ng l n yv b ng ngu n van m 15% Hình 3.6 ng l yv b ng ngu n van m 5% c Trang 48 c MSHV:11370657 T kh o sát ta th y r ng l yv s van th t dòng l ng th i s h n ch ng khai thác l i, c th : p nh t 5000 Khi van m ng cao nh t 28000 m3 b t nh 28000 5000 = 23000 m n nh 25400 n nh 16000 ng cao nh t 25400 m3 th p nh t 5000 m3 b t 5000 = 19400 m ng cao nh t 16000 m3 th p nh t 6000 m3 b t 6000 = 10000 m Hình 3.7 th so sánh s nh dòng ch y T th ta th y r ng, van m 5% dòng ch y s van m 100% ng l y v b n ch ng ngu Hình 3.8 Lu c n th bi u hi n th tích l ng b n t nhi u ng ngu n ph i ch a Trang 49 c MSHV:11370657 T th ta nh n th y r ng v i m ng tháo 0.1 m3/s b ch a ch ph i ch a m ng l ng ph t (slug volume) kho n 1.5 m3 li u r ng l v 5,23m i vi u n áp su cu ng ng d n d u ta có th gi m ho c lo i b l ng gây Lu c ng y t o nút Trang 50 c MSHV:11370657 K T LU N H th ng hóa n n t ng lý thuy t v dòng ch y nút l ng kh o sát mô hình tính tốn dịng ch y nút l ph bi n hi n Xây d c mơ hình tính toán nút l ng ng v n chuy n d u khí n i m X Mơ hình tính tốn xác dịng ch y nút l ng hi n v c mơ hình tính tốn xác tồn di n cho t t c ng h p M i mơ hình s im ng h ng n n mơ hình Beggs & Brill hay h l ng hành d u nh dùng Hill & Wood s a vào phân tích k t lu tài hi v ng s cm ch n mơ hình mơ ph ng dòng ch y ph n m m mơ ph ng dịng ch n m m mơ ph ng công ngh Hysys, hay ph n m m mô ph ng h th ng ng PipePhase hay Vi c tính tốn ng l ng ph t gây cho h th ng ti p nh n s giúp i thi t k , k thu i, ng c a dịng ch y nút l n q trình khai thác, v n hành Vi c tính tốn b ng mơ hình Hill & Wood cho k t qu tin c i Beggs & a v i vi c tính tốn chi ti t thơng s nh ng dịng ch y nút l u dài nút l ng, t n su t t o nút l ng l ng chi ng s làm v ng ch t dòng ch y nút l ng T Qsurge ( max), Mô ph ng ho ng c ng ng n i m X v i nhi nh m kh o sát y u t n dòng ch y nút l kh ng ch dòng ch y nút l ng m t cách hi u qu Lu c xu Trang 51 c MSHV:11370657 ng c a y u t công ngh n dòng ch y nút l ng r t m p m c n ki nh, v n hành, mô ph ng m i th ng c a y u t n dòng ch y nút l c tranh chung t yý n dòng ch y nút l u t ng l n nh ng l ng ng, l ng có th gi l i m t ng l ng l n h th ng ng x y ra, dịng khí s y m ng l ng c c l n s nguyên nhân gây y u t nguy hi m, b t nh cho u i nên phân tích ch ng khai thác phù h p v i y u t cơng ngh n t c dịng ch y, áp su ch y nút l ng x u không th a dòng ch y u ki n v n hành, nhiên có th kh ng ch gi m thi u tác h i c a b ng cách s d u n th iv ng l ng ph t v c thi t k van th t ch ng dòng ch y nút l ng r t c n thi m b o r i ro khai thác Lu c Trang 52 c MSHV:11370657 KI N NGH tài ch n l p lu n ch dòng ch y nút l ng b ng van u n, v tài mô ph van m n b ng tay b ng ph n m m c a van nh m gi m s t t gi su tài ki n ngh nh tài sau nên thi t k h u n kh ng ch nút l ng b ng h th u n PID ti n hành mô ph ng h th ng b ng ph n m m OLGA Mơ ph ng s giúp hìn c van u n s t u n van ch ng l ng ph t theo áp su t bi ng ngu ng ng (n ng ng dài có th t tín hi u áp su t v ng ng th ng) tài ki n ngh nên xây d ng m t mơ hình phịng thí nghi ki m ch ng làm vi c c tài s phát tri n bi t d ng hình thành chân ng th ng ng d a vào d u hi i bi n công ngh c giàn CPP su ng khí, l ng bi ib c nút l ng x y V i vi c l u n, tác h i dòng ch y nút l ng có th c kh ng ch ho c l i b u ki n v tài ki n ngh nh ng nghiên c u v sau, nghiên c a giàn X, ng l ng ng (liquid hold-up) l n d nghiên c u ph n c n ph i t p trung gi i quy t v sau: nh th tích kh i l ng l i ng (m3) ng l ng l n nh y v b ch a thoi chu n b v bình ch ng l ah ngu ch ng l ng dâng này? X nh v n t c phóng thoi th i gian phóng thoi? Phóng thoi khơng th u u n s nh ng t ng l ng ph t th nào? Lu c Trang 53 c MSHV:11370657 Hình 3.9 liquid holdup) Hình 3.10 Lu c Trang 54 c MSHV:11370657 Tài li u tham kh o: [1] Cheveron company, Multiphase Pipeline Design Guide [2] James P Brill, Multiphase Flow in Wells, Society of Petroleum Engineering Inc [3] Yehuda TaiTel, Stability of Severe Slugging [4] S.Polonsky, L.Shemer, D.Barnea, The relation between the Taylor bubble motion and the velocity ®eld ahead of it,Department of Fluid Mechanics and Heat Transfer, Faculty [5] R van Hout, D Barnea, L ShemerTranslational velocities of elongated bubbles in continuous slug flow, Department of Fluid Mechanics and Heat Transfer, Faculty of Engineering Tel-Aviv University, Tel-Aviv 69978, Israel [6]E W Llewellin, E Del Bello, J Taddeucci, P Scarlato and S J Lane, The thickness of the falling film of liquid around a Taylor Bubble.Proc R Soc.published online December 2011 [7] Wang Xin, Gou Liejin, Zhang Ximin, Development of Liquid Slug Length in GasLiquid Slug Flow along Horizontal Pipeline: Experiment and Simulation, State Key La [8] Wolverine Tube, Inc [9]IPS, Engineering Standard for Piping and Pipeline sizing ,March-1996 [10] Maurer Engineering, MULTIPHASE FLOW PRODUCTION MODEL,Theory and January-1994 [11] Dr.Jame P.Brill & Dr.H.Dale.Beggss, Two phase flow in pipe, 6th Edition [12] Dr.Ove Bratland , Pipe Flow 2: Multi-phase Flow Assurance, January 2010 [13] Yong Bai and Qiang Bai, SUBSEA PIPELINES AND RISERS, 2005 Lu c Trang 55 LÝ L CH TRÍCH NGANG H tên: C 11/03/1981 : Thanh Hóa a ch liên l c: Ban Khai Thác, T H , Hà N i u khí Qu c gia Vi t Nam, 18 Láng O: 2000-2005: c Bách khoa Hà N i 2008-2010: Th Qu n lý D án (MPM Project management), H c Vi n Cơng Ngh châu Á AIT Thái Lan Q TRÌNH CÔNG TÁC: 2005-2011: XN Khai Thác, Liên Doanh Vi t-Nga Vietsovpetro n nay: Qu n lý Khai thác, Ban Khai thác D u khí, T p gia Vi t Nam u khí Qu c ... y nút l ng ng kính n dịng ch y nút l ng ng áp su n dòng ch y nút l ng ng áp su n dòng ch y nút l ng ng c n dòng ch y nút l ng n dòng ch y nút l ng ng l n dòng ch y nút l ng ng l n dòng ch y nút. .. chi ti q trình t o nút l t khí nút l ng,t o nút l is Lu c Trang 31 c MSHV:11370657 So sánh chi u dài nút l ng: Hình 2.4 So sánh chi u dài nút l ng T th ta th y, chi u dài nút l ng c a mơ hình... y nút l ng b ng ch y u b i y u t : ng l ng chi ch y nút l ng T n s t o nút l ng Chi u dài nút l u dài nút l ng ph thu c vào t n s t o nút l ng T nh ng nh nh trên, bi n ph n l ng dòng ch y nút