Luận án nghiên cứu hệ thống thủy động lực học của tuyến đường ống ngầm vận chuyển dầu khí từ BK-14 về CPP-3, gồm các tính chất lý hóa và tính lưu biến của chất lưu được vận chuyển, các thông số công nghệ trong vận chuyển dầu khí như lưu lượng dòng chảy, áp suất bơm, tổn hao áp suất dọc đường ống, các giải pháp công nghệ xử lý trong vận chuyển dầu ngoài biển
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN HOÀI VŨ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA ĐƯỜNG ỐNG THU GOM DẦU TRONG ĐIỀU KIỆN SUY GIẢM SẢN LƯỢNG MỎ BẠCH HỔ Ngành: Kỹ thuật dầu khí Mã số: 9520604 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2018 Cơng trình hồn thành tại: Bộ mơn Khoan - Khai thác, Khoa Dầu khí, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Người hướng dẫn khoa học: TSKH Trần Xuân Đào PGS TS Nguyễn Thế Vinh Phản biện 1: PGS TS Hồng Dung Hội Cơng nghệ Khoan Khai thác Việt Nam Phản biện 2: PGS TS Lê Phước Hảo Hội Dầu khí Việt Nam Phản biện 3: TS Nguyễn Văn Thịnh Trường Đại học Mỏ - Địa chất Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp Trường đại học Mỏ - Địa chất vào hồi … … ngày … tháng … năm … Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội Thư viện Trường đại học Mỏ - Địa chất MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngồi phức tạp khó khăn đặc thù trình vận chuyển dầu nhiều paraffin giới nói chung Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro nói riêng, với việc hệ thống đường ống có tính bất cập cao, nhiệt độ mơi trường đáy biển thấp nhiệt độ đơng đặc dầu cịn nhân tố bất lợi gây nên khó khăn riêng có cơng tác vận chuyển dầu hệ thống đường ống ngầm khơi Vietsovpetro Hiện sản lượng khai thác mỏ Vietsovpetro bước vào giai đoạn suy giảm nhanh qua năm, nảy sinh loạt thách thức trình thu gom, xử lý vận chuyển dầu hệ thống đường ống ngầm khơi khu vực nội mỏ Bạch Hổ, là: Sản lượng thấp dẫn đến vận tốc dòng chảy thấp; lượng vỉa suy kiệt làm cho áp suất miệng giếng suy giảm tương ứng, thách thức trực tiếp đến vận hành cụm đường ống thu gom vận chuyển dầu lượng đầu miệng giếng; việc áp dụng giải pháp khai thác thứ cấp làm cho nhũ tương dầu-nước bền vững hơn; tính chất lý hóa dầu khai thác nhiệt độ đông đặc, giá trị độ nhớt động hàm lượng paraffin có xu hướng tăng cao cuối đời mỏ làm tăng tính phức tạp khó khăn vận hành hệ thống đường ống ngầm Trước vấn đề thực tiễn có tính cấp thiết nêu trên, địi hỏi phải có nghiên cứu, tính tốn lựa chọn giải pháp công nghệ - kỹ thuật cụ thể phù hợp với đối tượng riêng rẽ mang tính cục bộ, qua đưa đề xuất nhằm hồn thiện nhóm tổ hợp giải pháp cơng nghệ-kỹ thuật vận hành hệ thống thu gom, xử lý vận chuyển dầu cách an toàn nhất, phù hợp với thực trạng khai thác mỏ Bạch Hổ giai đoạn suy giảm sản lượng Mục đích nghiên cứu luận án Trên sở kết đánh giá thực trạng hoạt động hệ thống đường ống ngầm vận chuyển dầu từ BK-14 CPP-3, đề xuất phương pháp việc nghiên cứu trạng thái thủy động học trình vận chuyển dầu nhằm làm sở tính tốn xác định chế độ cơng nghệ vận chuyển dầu Đề xuất tổ hợp nhóm giải pháp công nghệ phù hợp nhằm đảm bảo an tồn q trình vận hành hệ thống đường ống ngầm vận chuyển dầu khu vực nội mỏ Bạch Hổ giai đoạn sản lượng khai thác dầu suy giảm Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu chất lỏng vận chuyển hệ thống đường ống ngầm vận chuyển dầu khí nội mỏ Bạch Hổ mà đại diện cụm đường ống từ BK-14 CPP-3 - Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu hệ thống thủy động lực học tuyến đường ống ngầm vận chuyển dầu khí từ BK-14 CPP-3, gồm tính chất lý hóa tính lưu biến chất lưu vận chuyển, thông số công nghệ vận chuyển dầu khí lưu lượng dịng chảy, áp suất bơm, tổn hao áp suất dọc đường ống, giải pháp cơng nghệ xử lý vận chuyển dầu ngồi biển Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thư mục: Thu thập, thống kê, phân tích số liệu thực tế thông số công nghệ vận chuyển dầu; - Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết Catastrophe Entropi đánh giá trạng thái thủy động lực học hiệu làm việc hệ thống công nghệ đường ống vận chuyển dầu; - Nghiên cứu phịng thí nghiệm: Tính chất lý hóa lưu biến chất lỏng vận chuyển làm sở cho việc lựa chọn giải pháp công nghệ phù hợp; - Ứng dụng công nghệ thông tin: Sử dụng phần mềm Olga mơ hình mơ q trình vận chuyển dầu hệ thống đường ống ngầm, phần mềm tin học khảo sát, đánh giá phân tích số liệu Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Việc sử dụng cơng cụ tốn học lý thuyết Catastrophe lý thuyết Entropi để chứng minh chất trạng thái thủy động lực học hệ thống đường ống ngầm vận chuyển dầu khơi khu vực nội mỏ Bạch Hổ góp phần đa dạng hóa phương pháp tiếp cận nghiên cứu đối tượng động học cụ thể - Ý nghĩa thực tiễn: Kết nghiên cứu luận án sở cho việc lựa chọn đề xuất giải pháp công nghệ kỹ thuật cho công tác vận hành hệ thống đường ống ngầm vận chuyển dầu khu vực nội mỏ Bạch Hổ cách an toàn hiệu quả, phù hợp với giai đoạn suy giảm sản lượng khai thác mỏ Điểm luận án - Sử dụng cơng cụ tốn học lý thuyết Catastrophe Entropi để nghiên cứu, đánh giá cách định tính định lượng trạng thái bền động học hệ thống đường ống ngầm vận chuyển dầu mỏ Bạch Hổ, làm sở khoa học việc tính tốn xác định giá trị vận tốc dịng chảy phù hợp với tiêu hao lượng động học thấp nhất; - Kết nghiên cứu lý thuyết Catastrophe cho phép tính tốn xác định tần suất chu kỳ áp dụng nhóm giải pháp cơng nghệ xử lý hệ thống đường ống ngầm điều kiện không dừng khai thác với chế độ dòng chảy khác nhau; - Lựa chọn đề xuất tổ hợp nhóm giải pháp cơng nghệ xử lý hệ thống đường ống ngầm đảm bảo an toàn tuyệt đối vận chuyển dầu, phù hợp với điều kiện khai thác thực tế mỏ Bạch Hổ giai đoạn suy giảm sản lượng Luận điểm bảo vệ - Luận điểm 1: Trong điều kiện suy giảm sản lượng, hệ thống thủy động lực học trình vận chuyển dầu khí đường ống ngầm khu vực nội mỏ Bạch Hổ thường xuyên hoạt động trạng thái bền vững ổn định động học Điều làm tăng chi phí lượng động học hệ thống làm việc hiệu quả; - Luận điểm 2: Trong điều kiện sản lượng khai thác mỏ Bạch Hổ bị suy giảm, để chi phí lượng động học đạt giá trị nhỏ nhất, vận tốc dòng chảy chất lỏng đường ống ngầm khu vực nội mỏ phải lớn 0,16 m/s, tốt 0,28-0,32 m/s Trường hợp vận tốc dòng chảy nhỏ 0,16 m/s, cần phải áp dụng tổ hợp giải pháp công nghệ-kỹ thuật vận hành hệ thống đường ống với tần suất chu kỳ phù hợp để trình vận chuyển dầu đạt hiệu an toàn Cơ sở tài liệu luận án Luận án xây dựng sở: Chế độ vận hành hệ thống đường ống ngầm vận chuyển dầu, số liệu thực tế ứng dụng giải pháp công nghệ xử lý trình vận hành hệ thống đường ống khu vực nội mỏ Bạch Hổ; sơ đồ công nghệ xây dựng phát triển mỏ Bạch Hổ qua giai đoạn; báo cáo phân tích đánh giá hệ thống thu gom, xử lý, vận chuyển tàng trữ dầu mỏ Vietsovpetro; báo công trình nghiên cứu khoa học tác giả nước nước ngồi đăng tạp chí chun ngành Khối lượng cấu trúc luận án Luận án gồm phần mở đầu, chương, kết luận, kiến nghị danh mục tài liệu tham khảo Toàn nội dung luận án trình bày 125 trang khổ giấy A4, có 23 biểu bảng, 54 hình vẽ phụ lục CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐƯỜNG ỐNG NGẦM VÀ QUÁ TRÌNH THU GOM, XỬ LÝ VÀ VẬN CHUYỂN DẦU NỘI MỎ BẠCH HỔ VÀ RỒNG 1.1 Tổng quan hệ thống công nghệ thu gom vận chuyển dầu nội mỏ Bạch Hổ 1.1.1 Tổng quan trình phát triển hệ thống thu gom dầu mỏ Vietsovpetro Để phục vụ công tác khai thác dầu, hệ thống thu gom, xử lý vận chuyển dầu khí xây dựng sở thiết kế Liên Xô (mô hình thiết kế giàn 16716) áp dụng cho đối tượng dầu paraffin, có nhiệt độ đơng đặc độ nhớt thấp, đa phần không bọc cách nhiệt theo mơ hình phát triển mỏ vùng biển Caspi, nước Cộng hịa Azerbaijan Q trình phát triển hệ thống thu gom dầu mỏ Vietsovpetro gồm giai đoạn: 1986-1988, 1989-1994, 1995-1999, 2000-2009 từ năm 2010 đến 1.1.2 Tổng quan hệ thống đường ống công nghệ thu gom dầu mỏ Bạch Hổ Hệ thống cụm đường ống thu gom dầu nội mỏ Bạch Hổ bao gồm nhiều dạng khác nhau, phân chia sau: - Theo nguồn lượng vận chuyển: Đường ống vận chuyển dầu lượng vỉa (vận chuyển hỗn hợp dầu khí, vận chuyển dầu bão hịa khí) đường ống vận chuyển dầu lượng bơm (dầu tách khí); - Theo đặc tính cách nhiệt: Đường ống bọc cách nhiệt (composite, foam, pipe in pipe) không bọc cách nhiệt 1.2 Những thách thức thu gom dầu đường ống ngầm giai đoạn suy giảm sản lượng khai thác cuối đời mỏ Bạch Hổ Sản lượng dầu khai thác Vietsovpetro đạt đỉnh vào năm 2003 (13,2 triệu tấn/năm) sau giảm nhanh qua năm (hình 1.6), sản lượng khai thác lại khoảng 4-5 triệu tấn/năm Số liệu đo theo thời gian động thái áp suất vỉa trung bình giếng khoan khối Trung tâm Móng giai đoạn từ năm 2005 đến 2011 cho thấy mức độ suy giảm lượng vỉa rõ nét Mặc dù có áp dụng giải pháp cơng nghệ bơm ép nước trì áp suất vỉa giai đoạn cuối i - 3050 м., ат đời mỏ nhịp độ suy giảm áp suất vỉa cao (xem hình 1.7) 245 240 235 230 225 220 2005 2006 2007 2008 nh Hình 1.6 Biểu đồ thống kê sản lượng dầu khai thác dự báo sản lượng khai thác thời gian tới Vietsovpetro 2009 2010 2011 2012 i gian Hình 1.7 Động thái áp suất vỉa trung bình giếng khoan khối Trung tâm tầng Móng giai đoạn 2005-2011 Ngồi vấn đề phức tạp hữu gây phức tạp khó khăn vận chuyển dầu nhiều paraffin mỏ Bạch Hổ đặc tính kỹ thuật đường ống khơng tương thích, nhiệt độ mơi trường đáy biển thấp, dầu khai thác có nhiệt độ đơng đặc cao, giá trị độ nhớt cao…, giai đoạn suy giảm sản lượng cuối đời mỏ Bạch Hổ xuất thách thức mới, là: - Năng lượng (áp suất) vỉa thân dầu bị suy giảm gần đến giá trị tới hạn làm ảnh hưởng trực tiếp đến trình thu gom, vận chuyển dầu cụm đường ống sử dụng lượng áp suất đầu miệng giếng; - Lưu lượng vận chuyển đường ống giảm làm thay đổi cấu trúc dòng chảy, dẫn đến lắng đọng tắc nghẽn đường ống; - Nhiệt độ sản phẩm giảm thấp mỏ suy giảm sản lượng gây nên vấn đề lắng đọng paraffin cao, tạo nguy tắc nghẽn đường ống; - Nhũ tương dầu-nước bền vững, làm tăng tổn thất thủy lực; - Tính chất lưu biến dầu thay đổi theo chiều hướng xấu 1.3 Những cố điển hình trình vận hành hệ thống đường ống ngầm thu gom dầu nội mỏ Bạch Hổ - Sự cố tắc nghẽn đường ống MSP-1 – FSO-1 (FSO Crưm); - Dừng đường ống thu gom dầu RP-1 – RC-1 – BT-7 – CPP-2; - Tăng áp suất đường bơm dầu từ giàn RP-1 đến FSO-3; - Tăng áp suất thu gom sản phẩm từ BK-14 giàn công nghệ trung tâm CPP-3 1.4 Tổng quan cơng trình nghiên cứu thu gom dầu mỏ Bạch Hổ Một số cơng trình tiêu biểu như: a) Cụm công trình: “Nghiên cứu, phát triển hồn thiện cơng nghệ thu gom, xử lý, vận chuyển dầu thô điều kiện đặc thù mỏ Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro mỏ kết nối thềm lục địa nam Việt Nam”, Giải thưởng Hồ Chí Minh Khoa học – Cơng nghệ năm 2016 b) Cơng trình “Nghiên cứu hồn thiện công nghệ xử lý vận chuyển dầu nhiều paraffin, độ nhớt cao khai thác dầu khí thềm lục địa phía Nam Việt Nam” tác giả Phùng Đình Thực, Hà Nội năm 1995 c) Cơng trình “Hồn thiện hệ thống vận chuyển sản phẩm dầu khí giếng dầu khơi” tác giả Nguyễn Phan Phúc, Maxcơva (Nga) năm 1999 d) Cơng trình “Hồn thiện công nghệ thu gom, xử lý vận chuyển dầu có nhiệt độ đơng đặc cao mỏ Vietsovpetro” tác giả Nguyễn Thế Văn, UFA (Nga) năm 2011 Các cơng trình nghiên cứu chủ yếu sâu vào: - Nghiên cứu, đề xuất giải pháp hồn thiện cơng nghệ thu gom, xử lý vận chuyển dầu thời điểm mà sản lượng khai thác lượng vỉa mỏ Bạch Hổ cao, dầu khai thác chủ yếu phương pháp tự phun, chưa sử dụng phương pháp khai thác học; - Nghiên cứu tính chất lưu biến dầu tiến hành chung cho mỏ mà chưa phân chia khu vực với tính chất dầu đặc trưng khác biệt để từ lựa chọn hóa phẩm chuyên biệt hàm lượng tối ưu để xử lý đạt hiệu cao Tuy nhiên, nhiều vấn đề chưa làm sáng tỏ bỏ ngỏ, như: - Trạng thái động học đối tượng cụ thể hệ thống đường ống ngầm thu gom dầu khí; - Bản chất thủy động lực học hệ thống đường ống ngầm thu gom hỗn hợp dầu khí để dự báo vấn đề phức tạp xảy nhằm có giải pháp phù hợp để ngăn ngừa cố xảy cho hệ thống; - Tổ hợp nhóm giải pháp công nghệ vận chuyển dầu phù hợp với điều kiện suy giảm sản lượng mỏ Bạch Hổ Kết luận - Hệ thống đường ống thu gom dầu có tính đồng khơng cao, chưa tương thích với tính chất lưu biến dầu khu vực mỏ Bạch Hổ; - Trong trình khai thác mỏ Bạch Hổ giai đoạn cuối với sản lượng dầu suy giảm mạnh, xuất tác nhân gây nhiều Theo kết hình 2.6, hàm lượng nước dầu vượt 65%, độ nhớt ứng suất trượt động nhũ tương dầu-nước giảm đột ngột, chứng tỏ nhũ tương dạng nghịch “nước dầu” chuyển sang nhũ tương dạng thuận “dầu nước” Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn tương quan độ nhớt động lực nhiệt độ dầu BK-14 Hình Mối tương quan độ nhớt động lực dầu hàm lượng nước 2.2.2.2 Nghiên cứu tính chất lưu biến dầu BK-14 bão hịa khí Các hình 2.7 2.9 cho thấy độ nhớt dầu BK-14 mỏ Bạch Hổ phụ thuộc nhiệt độ điều kiện bão hồ khí khác Kết nghiên cứu tính chất lưu biến dầu bão hịa khí cho thấy khả vượt trội tính lưu chuyển dầu bão hịa khí so với dầu tách khí Hình 2.9 Tương quan ứng suất trượt động nhiệt độ tỷ số khí dầu khác 80oC Hình 2.7 Tương quan độ nhớt dầu nhiệt độ tỷ số khí - dầu khác 80oC 2.3 Nghiên cứu đánh giá hệ thống động học lý thuyết Catastrophe Entropi 2.3.1 Nghiên cứu đánh giá hệ thống động học sở lý thuyết Catastrophe 11 Lý thuyết Catastrophe hiểu biến đổi không đồng tức thời, xuất trạng thái đột biến qua phản ánh hệ thống nghiên cứu thay đổi đặn điều kiện ngoại biên Giả sử, mơ hình hóa hệ động lực học mơ dạng phương trình vi phân: dx = dt df(x, c1 , c2 ,…, cn ) (2.2) Trong đó, f hàm biến đổi trạng thái x tham số điều khiển c1, c2 cn Xác định điểm đột biến hay điểm tới hạn nếu: d2 f df (dx) = 0; (dx2 ) > u u (2.3) Đây điều kiện đảm bảo cho hoạt động hệ động lực học tương ứng trạng thái ổn định 2.3.1.1 Đánh giá trạng thái thủy động học hệ thống đường ống vận chuyển dầu BK-14 – CPP-3 Hệ thống động học đường ống ngầm thu gom dầu khơi mỏ Bạch Hổ thể qua thơng số đo được, lưu lượng áp suất theo thời gian Ngoài ra, tham số khác không đo đếm độ gồ ghề, tiết diện bên ống; tính chất lưu biến thay đổi theo nhiệt độ, áp suất, thể thông qua giá trị đo áp suất làm việc đường ống Như vậy, hệ động học hệ thống đường ống vận chuyển dầu khí mơ sau: F = f(P, t) f(P) = (Q, t, S, ToC, θ, ρ, τ, η, φ, ξ, μ,…) (2.4) Theo lý thuyết Catastrophe, mô hệ động học đường ống vận chuyển dầu khí có dạng: P = df(P)/dt = at2 + bt + c Trong P giá trị áp suất đo theo thời gian Theo điều kiện (2.3), ta có: P = df(P)/dt = at2+bt+c = 12 (2.5) Trạng thái động học hệ động học nghiên cứu xác định sau: Delta = b2-4ac lớn không (Delta ≥0) lý giải cho hệ động học có trạng thái bền vững ổn định động học, ngược lại (Delta 0,04 ≤ 0,08 m/s, thời gian cần xử lý bơm rửa đường ống 7-8 ngày; 13 - Vận tốc dòng chảy >0,08