Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng động lực học chất lỏng tính toán (CFD) cho thiết bị Ejector sử dụng nâng cao tỷ lệ thu hồi mỏ khí Condensate Hải Thạch

Trong lĩnh vực khai thác khí và condensate, việc xử lý dòng lưu chất phụ thuộc vào áp suất từng giếng và áp suất tại đầu vào hệ thống công nghệ xử lý. Để có thể tiếp tục thu hồi khí và condensate tại các giếng đã suy giảm áp suất đồng thời với các giếng khác vẫn cho sản lượng và áp suất ổn định, thông thường các phương pháp sử dụng thiết bị bề mặt được nghiên cứu đánh giá tính khả thi về kỹ thuật cũng như đảm bảo hiệu quả kinh tế. Hai phương án dùng thiết bị bề mặt thông thường là máy nén khí ướt 3 pha và Ejector. So với việc sử dụng máy nén khí ướt thì phương án sử dụng Ejector mang lại nhiều lợi ích như chi phí đầu tư và vận hành thấp, đây là một thiết bị có cấu tạo gọn nhẹ, độ tin cậy cao và thân thiện môi trường. Tuy nhiên, để đưa đến quyết định đầu tư thì cần phải có một mô hình tin cậy giúp phân tích khả năng làm việc, hiệu suất hoạt động cũng như tính toán chính xác tỷ lệ sản phẩm thu hồi được gia tăng. Trong nghiên cứu này, kết quả của mô hình CFD sử dụng hỗn hợp khí cũng được so sánh với mô hình tương đương chỉ sử dụng methane. Sự khác biệt của 2 mô hình được sử dụng để phân tích tính chính xác và hiệu quả của việc nghiên cứu áp dụng Ejector khí tự nhiên gia tăng thu hồi cho giếng suy giảm áp suất. Dòng chảy của lưu chất bên trong thiết bị Ejector được mô phỏng dựa trên mô hình rối k-ε Re-Normalization Group. Chất lưu là hỗn hợp khí tự nhiên có thành phần cấu tử theo điều kiện mỏ Hải Thạch. Phương trình khí thực Peng-Robison tính toán tỷ trọng hỗn hợp khí.

THĂM DỊ - KHAI THÁC DẦU KHÍ TẠP CHÍ DẦU KHÍ Số - 2020, trang 14 - 24 ISSN 2615-9902 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LỎNG TÍNH TỐN (CFD) CHO THIẾT BỊ EJECTOR SỬ DỤNG NÂNG CAO TỶ LỆ THU HỒI MỎ KHÍ CONDENSATE HẢI THẠCH Trần Ngọc Trung1, Triệu Hùng Trường2, Ngô Hữu Hải1, Trần Vũ Tùng1, Lý Văn Dao1 Công ty Điều hành Dầu khí Biển Đơng Đại học Mỏ - Địa chất Email: trungtn@biendongpoc.vn Tóm tắt Trong lĩnh vực khai thác khí condensate, việc xử lý dòng lưu chất phụ thuộc vào áp suất giếng áp suất đầu vào hệ thống công nghệ xử lý Để tiếp tục thu hồi khí condensate giếng suy giảm áp suất đồng thời với giếng khác cho sản lượng áp suất ổn định, thông thường phương pháp sử dụng thiết bị bề mặt nghiên cứu đánh giá tính khả thi kỹ thuật đảm bảo hiệu kinh tế Hai phương án dùng thiết bị bề mặt thơng thường máy nén khí ướt pha Ejector So với việc sử dụng máy nén khí ướt phương án sử dụng Ejector mang lại nhiều lợi ích chi phí đầu tư vận hành thấp, thiết bị có cấu tạo gọn nhẹ, độ tin cậy cao thân thiện môi trường Tuy nhiên, để đưa đến định đầu tư cần phải có mơ hình tin cậy giúp phân tích khả làm việc, hiệu suất hoạt động tính tốn xác tỷ lệ sản phẩm thu hồi gia tăng Trong nghiên cứu này, kết mơ hình CFD sử dụng hỗn hợp khí so sánh với mơ hình tương đương sử dụng methane Sự khác biệt mô hình sử dụng để phân tích tính xác hiệu việc nghiên cứu áp dụng Ejector khí tự nhiên gia tăng thu hồi cho giếng suy giảm áp suất Dòng chảy lưu chất bên thiết bị Ejector mơ dựa mơ hình rối k-ε Re-Normalization Group Chất lưu hỗn hợp khí tự nhiên có thành phần cấu tử theo điều kiện mỏ Hải Thạch Phương trình khí thực Peng-Robison tính tốn tỷ trọng hỗn hợp khí Từ khóa: Ejector, mơ hình CFD, nâng cao thu hồi khí/condensate, mỏ Hải Thạch Giới thiệu Việc trì khai thác đồng thời nhiều giếng khí condensate đặt thách thức lớn điều kiện áp suất đầu vào hệ thống xử lý khí không thay đổi (tỷ số nén cố định thiết kế hệ thống) Khi áp suất bề mặt giảm xuống áp suất đầu vào hệ thống xử lý, giếng khơng cịn khả khai thác dịng chảy tự nhiên giếng khơng trì Lúc này, lượng khí giếng thấp áp phải bị đốt cháy dạng khí thải hệ thống công nghệ phải lắp đặt thêm máy nén khí pha trung gian để tiếp tục trì sản xuất Phương án sử dụng máy nén khí tự nhiên pha trung gian để tạo dòng chảy vào hệ thống xử lý cho giếng đòi hỏi chi phí đầu tư vận hành cao, tốn thời gian triển khai Trong đó, thiết bị Ejector giải tốn việc sử dụng dịng khí dẫn động từ giếng Ngày nhận bài: 23/4/2020 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 23/4 - 8/5/2020 Ngày báo duyệt đăng: 8/5/2020 14 DẦU KHÍ - SỐ 5/2020 có áp suất cao đầu hệ thống xử lý khí có áp suất cao áp suất đường ống vận chuyển Ngoài nhiều trường hợp, thiết bị Ejector sử dụng lượng dẫn động từ nguồn sơ cấp giếng áp suất cao để tận dụng tối đa lượng tự nhiên từ vỉa hồn tồn khơng cần thêm nguồn lượng khác hay sản sinh thêm chất thải ngồi mơi trường Trên giới có nghiên cứu tính khả thi hiệu Ejector việc gia tăng thu hồi cho giếng dầu khí cuối chu kỳ khai thác Nhóm tác giả nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ dịng chảy lưu chất bên thiết bị bề mặt Ejector để đưa thông số hoạt động tối ưu nhất, giúp gia tăng khả thu hồi khí condensate Mơ hỗn hợp với thành phần cấu tử khí tự nhiên tương tự phương án nghiên cứu mỏ Hải Thạch Tỷ trọng hỗn hợp khí tính tốn theo phương trình khí thực Peng Robison Trong số nhiều mơ hình dịng chảy rối, nhóm tác giả lựa chọn mơ hình k-ε Re-Normalization Group PETROVIETNAM Cơ sở lý thuyết phương pháp nghiên cứu 2.1 Nguyên lý vận hành thiết bị Ejector Ejector ứng dụng lĩnh vực công nghiệp khác Ejector thiết bị hướng dòng đơn giản với cổng lưu chất đầu vào (Primary/Secondary Flow - Cổng lưu chất sơ cấp/thứ cấp) cổng phân tán (Diffuser) Nguyên lý thiết bị tạo áp suất âm khu vực buồng hút cách cho dòng chảy lưu chất áp suất cao qua khe hở hẹp để hút dòng áp suất thấp cổng thứ cấp Sau đó, dịng chảy lưu chất trộn bên khoang đầu vào (suction chamber), ống trộn (mixing tube/chamber) phân tán số áp suất trung gian xem áp suất ngược (back pressure, Pb) hay gọi áp suất đầu (discharge pressure) Áp suất chân không tạo lực hút lưu chất cổng thứ cấp, sinh cách tăng tốc độ dòng chảy lưu chất sơ cấp qua vòi phun hội tụ Về bản, Ejector có phận: vịi phun hội tụ, buồng hút, buồng trộn, phận phân tán Hình [1] Trong lĩnh vực dầu khí, Ejector nghiên cứu để gia tăng thu hồi cho giếng cuối chu kỳ khai thác, thu hồi khí bay (có nhiệt trị cao) tàu chứa dầu tải mỏ ứng dụng vào việc hút chất lỏng ngưng tụ cận đáy giếng Các Ejector sử dụng với loại lưu chất mà không cần đến chất bôi trơn, gồm chi tiết thụ động đơn giản, đáng tin cậy, chi phí thấp gần khơng cần bảo trì Tuy nhiên, thiết bị có hiệu suất thấp phụ thuộc vào nhiều vào yếu tố thiết kế vận hành [2] 2.2 Tính khả thi nghiên cứu gia tăng thu hồi cho mỏ dầu khí/condensate thiết bị Ejector Trên giới, thiết bị Ejector nghiên cứu triển khai ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp khai thác khí tự nhiên ứng dụng gia tăng thu hồi năm 1990 [3, 4] Một số nghiên cứu điển hình như: Green, Ashton cộng nghiên cứu Ejector phịng thí nghiệm sau triển khai thực địa giúp gia tăng khoảng 25% 41% sản lượng (tương ứng 25 triệu ft3 chuẩn/ngày 15 triệu ft3 chuẩn/ngày) cho giếng suy giảm áp suất giàn mỏ Hewwett, Biển Cổng lưu chất thứ cấp Dòng lưu chất trộn lẫn Vòi phun Cổng lưu chất sơ cấp án hân t p Cổng ộn ng tr ực Khu v hút g n u b Ố Hình Sơ đồ mẫu thiết bị Ejector chi tiết bên [1] Bắc [3] Marco Villa cộng xây dựng mô hình tính tốn kết hợp thực nghiệm mỏ Villafortuna, Italy giúp gia tăng sản lượng cộng dồn thêm 100.000 thùng dầu thu hồi vốn đầu tư vòng vài tuần [5] P.Andreussi cộng giới thiệu phương pháp nghiên cứu kết thực địa Ejector đa pha ứng dụng gia tăng thu hồi vịnh Mexico [6] Tuy nhiên, Việt Nam chưa có nghiên cứu hay báo cáo áp dụng Ejector ứng dụng gia tăng thu hồi khí/condensate từ phía sở nghiên cứu đơn vị sản xuất Cùng với việc đẩy mạnh khai thác khí, Việt Nam có nhu cầu lớn ứng dụng tận thu khai thác giếng khí/condensate sử dụng Ejector tương lai 2.3 Các thơng số giúp phân tích đánh giá hiệu suất hoạt động thiết bị Ejector Nhằm phân tích đánh giá hiệu suất thiết bị Ejector, thông thường nghiên cứu sử dụng thông số tỷ số hút entrainment tỷ số nén (1) = Trong đó: = := Tỷ số hút entrainment ratio; ms: Khối lượng dòng + chảy ∙ ( lưu ̅ ) = chất thứ cấp; = mp: Khối lượng dịng chảy lưu chất sơ cấp Ngồi + ∙ (ra, ̅ ) = 0thông số đặc trưng tỷ số nén áp suất đầu với áp suất = đầu vào thứ cấp thường coi tỷ số nén đặc trưng thiết bị: (2) = Trong đó: τ: Tỷ số nén; + ∙( ̅) = Pb: Áp suất đầu hay áp suất ngược; Ps: Áp suất cổng thứ cấp Nghiên cứu gia tăng thu hồi khí condensate cho giếng suy giảm áp suất mỏ Hải Thạch 3.1 Tính cấp thiết nghiên cứu gia tăng khả thu hồi khí condensate cho giếng suy giảm áp suất Các nghiên cứu gần sử dụng phương pháp mơ CFD để dự đốn xác hiệu suất thiết bị chi tiết dịng chảy, q trình trộn lẫn bên Ejector khí tự nhiên tận thu giếng suy giảm áp suất Đồng thời, để củng cố kết mô phỏng, DẦU KHÍ - SỐ 5/2020 15 THĂM DỊ - KHAI THÁC DẦU KHÍ ̅) + ( tác giả cịn kết hợp kiểm chứng thực địa Các nghiên cứu cung cấp luận khoa học hữu ích cho việc tối ưu thiết kế Ejector thúc đẩy sản xuất khí tự nhiên Trong đó, mỏ Hải Thạch, giếng khí condensate bước vào giai đoạn suy giảm áp suất thời gian tới Có giếng (HT1X, 2X, 3X 4X) nằm tập vỉa (UMA10) cô lập nhỏ tập vỉa khác khai thác mỏ Hải Thạch Các giếng suy giảm áp suất nhanh dừng khai thác thời gian tới áp suất miệng giếng nhỏ áp suất đầu vào hệ thống công nghệ Ứng dụng Ejector gia tăng thu hồi dầu khí thường sử dụng phương án lấy khí từ đầu máy nén khí từ giếng cao áp lân cận làm nguồn lưu chất dẫn động: - Phương án - Dùng khí khơ thương mại cao áp đầu máy nén dẫn động với lưu lượng 40 triệu ft3 tiêu chuẩn/ngày áp suất 140 bar - Phương án - Dùng khí từ giếng có áp suất cao lưu lượng lớn sử dụng HT-5X (áp suất 180 bar lưu lượng dẫn động 10,5 triệu ft3 tiêu chuẩn/ngày) 3.2 Mơ hình động lực học chất lỏng tính tốn cho phương án sử dụng Ejector Phương pháp CFD chứng minh khả việc phân tích tối ưu hóa hoạt động Ejector Phương pháp mơ động lực học chất lỏng tính tốn CFD cho phép nghiên cứu chi tiết dòng chảy bên Ejector, dựa việc giải phương trình Navier-Stokes (NS) biến thể phương trình phương trình Favre-Averaged Navier -Stokes (FANS) phương trình Reynolds - Averaged Navier - Stokes nén (RANS) Nhằm đảm bảo độ xác đạt nghiệm hội tụ ổn định cho mơ hình, cần phải có kiến thức khía cạnh khác mơ CFD (như mơ hình rối - turbulence model) cách thức khoa học xây = dựng mơ hình (các bước thiết lập mơ hình phương pháp rời rạc hóa) = Phương trình liên tục (Continuity Equation): ∙( + (3) ̅) = Phương trình động lượng (Momentum Equation): ( ( ( )= 16 ̅) + ∙( ̅ ̅) = − + (4) ̅ Phương trình lượng (Energy Equation): ) + ∙ ̅( + ) = ∙( + ̅ ̅) ( DẦU KHÍ - SỐ 5/2020 ) + ( + )− − ( )+ ∙ ∙( ̅( + ̅ ̅) = − ) = ∙( + ̅ (5) + ̅ ̅) Mơ hình động lực học chất lỏng tính toán cho phương ( )= ( ) ( + )− − nén, án sử dụng Ejector +xây dựng cho dòng lưu chất chịu dòng rối trạng thái ổn định Dịng chảy lưu chất phương trình truyền nhiệt lựa chọn đối xứng qua trục dựa cấu tạo vật lý thiết bị, đồng thời giúp giảm thời gian tính tốn cho mơ hình Khu vực cận tường xử lý dạng “standard wall function” chứng minh kết xác cho tính tốn khu vực cận tường cho dịng chảy lưu chất có Reynold cao [7, 8] Miền tính tốn (boundary condition) cho dịng sơ cấp thứ cấp theo điều kiện “pressure inlet” đầu Ejector có miền tính tốn “pressure outlet” Các thơng số thiết lập dựa giá trị áp suất, nhiệt độ tỷ lệ hỗn hợp khí tự nhiên cho đường sơ cấp thứ cấp cho phương án sử dụng khí dẫn động Tồn khu vực tường Ejector coi đẳng nhiệt khơng có trao đổi lượng với mơi trường bên ngồi thời gian dòng lưu chất chảy cấu tạo nhỏ Trong số mơ hình dịng chảy rối, nhóm tác giả lựa chọn mơ hình k-ε Re-Normalization Group Theo nghiên cứu Y.Bartosiewicz cộng [9] Yinhai Zhu cộng [10] đánh giá mơ hình dịng chảy rối khác nhau, mơ hình k-ε Re-Normalization Group cho kết tốt phù hợp dự đốn tượng dịng chảy so với kết thí nghiệm Thuật tốn SIMPLE dùng để xử lý mối quan hệ áp suất vận tốc dịng lưu chất, tính đối lưu (convective terms) rời rạc hóa dựa phương pháp “second order upwind” [11] Độ hội tụ tính tốn cho ( ̅) + ∙ ( ̅ ̅) = − + ̅ vòng lặp Vòng lặp dừng lại số dư xác định nhỏ cho phương trình liên tục, động lượng lượng ( ) + ∙ ̅( + ) = ∙ ( + ̅ ̅) RNG k - ε transport equation: ( )= ( ) + ( + )− − (6) Ngoài thơng số nêu tính ưu điểm mơ hình CFD trình bày nghiên cứu sử dụng thành phần cấu tử khí tự nhiên áp dụng phương pháp tính tốn độ độc lập cấu trúc mạng lưới GCI 3.2.1 Sử dụng thành phần cấu tử khí tự nhiên Mơ hình mơ CFD xây dựng có thành phần cấu tử khí hydrocarbon mỏ Hải Thạch phương án sử dụng khí dẫn động lấy từ máy nén khí cao áp giàn (thành phần cấu tử Bảng Thành phần cấu tử lưu chất dẫn động lưu chất bị hút) Trong nghiên cứu này, mơ hình khí bao gồm thành phần cấu tử methane, ethane, propane, nitrogen carbon dioxide để đảm bảo thời gian tính tốn mơ dịng chảy lưu chất (chiếm tới gần 98% thành phần khí) Hiện tại, nghiên cứu Ejector dùng khí thiên PETROVIETNAM nhiên tận thu giếng suy giảm áp suất khác sử dụng methane làm lưu chất hoạt động [12 - 16] Hoặc sử dụng lưu chất pha bao gồm methane hạt nước có tỷ lệ thể tích nhỏ 3,1% [17] Tỷ trọng hỗn hợp khí tự nhiên tính theo phương trình khí thực Peng Robison, tính chất khác độ nhớt, nhiệt dung riêng hay độ dẫn nhiệt lưu chất lấy từ NIST (National Institute of Standards and Technology) gọi REFPROP (Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database) [18] == = −− − (7) == 0,45724 = 0,45724 0,45724 (8) (9) == 0,0778 = 0,0778 0,0778 == 1=1++ +11−− − (10) 0,37464 1,54226 0,26992 == 0,37464 ++ 1,54226 −− 0,26992 = 0,37464 + 1,54226 − 0,26992 (11) == = (12) 0,01726268 + 0,00077648 − 1,54 − 658833 ,1 + 23960 ,32 − 346,62 ⎧ × 10 + 1,15 × 10 ⎪ ×⎧10+ 2,48− 1,71 −< 0,0088 100 < < 205,2 179,9 Với , = nhiệt dung riêng độ = 100độ =