2.1 Các khái niệm cơ bản về dòng chảy đa pha Dòng chảy đa pha là dòng chảy đồng thời của hai hay nhiều pha qua đường ống hoặc thiết bị.
Loại dòng chảy này xuất hiện trong xuyên suốt quá trình từ quá trình khai thác đến quá trình xử lý và vận chuyên băng đường ống.
Trong quá trình khai thác dầu khí ngoài khơi, dòng đa pha có thể xuất hiện ở trong mỏ, trong giếng khoan, trong các đường ống từ đầu giếng đến các thiết bị tách hoặc từ các thiết bị công nghệ đến nơi xuất, trong các thiết bị bình tách hay trong các đường ống một pha hoặc trong các thiết bị công nghệ mà có sự thay đổi lớn về nhiệt độ và áp suất.
Khi nghiên cứu về dòng chảy hai pha trong đường ống, có rất nhiều thông số liên quan tương tác lẫn nhau. Trong đó sự khác nhau về ty trọng và độ nhớt d làm cho vận tốc giữa các pha khí và lỏng khác biệt nhau trong đường ống. Đối với dòng hướng lên, pha khí có mật độ và độ nhớt thập hơn có khuynh hướng di chuyển với vận tốc cao hon so với pha lỏng. gược lại, đối với dòng hướng xuống, pha lỏng thường di chuyển nhanh hơn pha khí. goài ra, các thông số như chế độ dòng chảy, ton hao áp suất, ty phan chất lỏng cũng là một trong những thông số khá quan trọng khi nghiên cứu về dòng chảy đa pha.
2.1.1 Các chế độ dòng chảy của dòng Trong dòng chảy da pha, pha khí va pha lỏng được phân bồ theo những kiểu khác nhau gọi là chế độ dòng chảy của dòng, phụ thuộc vào chủ yêu vào tốc độ dòng chảy của các pha và độ dốc của đường ông.
Đường ống được chia thành hai loại theo độ dốc với phương ngang là: đường ống nằm ngang (độ dốc + 10°) và đường ống thăng đứng (từ 10 + 90°).
- _ Trong đường ống năm ngang, dòng chảy da pha có thé thay đổi nhiều chế độ dòng chảy khác nhau. Đối với dòng chảy hai pha khí lỏng thì có thé tồn tại các ché độ dòng chảy
như Hình 2-1.
Dòng chảy phân tang
Dong chảy dạn sóng
Dong cháy bọt kéo dai
Dong chảy dạng nút
Dòng chảy dạng vành xuyến
Dong cháy bọt khí
Hình 2-1. Chế độ dòng chảy trong đường ống nam ngang - Trong đường ống thắng đứng, dòng chảy hai pha có thé được phân loại thành các chế độ
dòng chảy như mô tả tại Hình 2-2.
Nước
Ị ‡ Ị Ị
Đòng Đòng Đòng Đòng chảy chảy chảy chảy
bot nut khudy vanh khi xuyến
Hình 2-2. Chế độ dòng chảy trong đường ống nam ngang
2.1.1.1 Dòng ch y phân lop:
Pha lỏng phân bố dọc theo phía dưới tuyến ông năm ngang, pha khí nằm trên pha lỏng và được ngăn cách bởi mặt mặt phân giới khí-lỏng. Bao gồm dòng chảy phân tầng và dòng chảy
dạng sóng.
Dòng chảy này hình thành này do các yêu tỐ sau:
Lưu lượng nhỏ, đường ống nằm ngang, pha lỏng và khí phân tách do trọng lực.
Khi tốc độ pha khí nhỏ, bề mặt pha lỏng phăng lặng, khi tốc độ khí tăng, bề mặt lỏng nhấp nhô sóng.
Dòng phân lớp chỉ xuất hiện với các đường ống có độ dốc nhất định, nó không xuất hiện trong các đường ống đi lên có độ dốc > 1°.
Thường xuất hiện trong các đường ông đi xuống (downhill pipe) và đường ống ngang có
đường kính lớn.
2.1.1.2 Dòng ch y vành xuyến:
Xuất hiện trong cả Ống năm ngang và ống thăng đứng. Chế độ dòng chảy này có đặc điểm là màng chất lỏng trải quanh thành ông bao bọc phân lõi khí bên trong chuyên động với vận tốc cao và trong lõi khí còn những giọt chất lỏng nhỏ.
Dòng chảy này hình thành do các yếu tô sau:
Tốc độ pha khí lớn, pha lỏng chảy thành lớp màng bám sát thành ống, pha khí và các hạt
lỏng lơ lửng chảy bên trong.
Chiêu dày màng lỏng thường khá đồng đều (đối xứng) với dòng chảy đứng, nhưng với dòng chảy ngang điều này không đúng do tác dụng của trọng lực.
Khi vận tốc khí tăng, chiều dày mang lỏng giảm, lượng lỏng lẫn trong khí tăng.
Dòng chảy hình khuyên xuất hiện tại tất cả độ dốc, hau hết các đường ông đứng vận chuyên khí/lỏng (khí chủ yêu) ở áp suất cao là chảy hình khuyên.
2.1.1.3 Dòng ch y bọt phân tán
Xuất hiện trong cả ông năm ngang và ông thắng đứng, các pha khí tồn tại dưới dạng bong bóng khí nhỏ và phân tán trong chất lỏng. Khi vận tốc pha lỏng tăng lên, kích thước của các bong bóng khí này tăng do sự tích tụ các bong bóng khí nhỏ lại với nhau. Cuối cùng, một dãy
liên tục các bong bóng khí được hình thành trong pha lỏng và có khuynh hướng tập trung gan phía trên thành ống.
Dòng chảy này hình thành này do các yêu tỐ sau:
- - Hệ chủ yếu là pha lỏng chảy với vận tốc lớn, dòng chảy là hỗn hợp của pha lỏng và
những bọt khí nhỏ.
- - Với dòng chảy đứng, chế độ này có thé xuất hiện với tốc độ pha lỏng vừa phải khi vận tốc khí rất thấp.
- Xuat hiện tại tat cả các độ dôc của dòng.
2.1.1.4 Dòng ch y dạng nút khí
Xuất hiện trong cả ông năm ngang và ống thắng đứng. Từ dòng chảy bọt, khi vận tốc của pha khí được tăng lên, các bong bóng sẽ kết tụ lại với nhau tạo thành những bong bóng khí lớn hơn
và có dạng nón. Những bong bóng khí này hay được gọi là bọt khí Taylor, bi tách biệt trong vùng dòng chảy dạng bọt khí được gọi là nút.
Những nút chất lỏng này có thể làm cho áp suất trong đường ống thay đổi bất thường trong quá trình vận hành, gây ra những tác động xấu đối với các thiết bi vận chuyển và xử lý.
Dòng chảy này hình thành này do các yêu tỐ sau:
- Dong chảy không liên tục, gồm những cục lỏng và những túi khí xen kẽ nhau.
- (C6 thé xem chế độ chảy này là sự kết hợp của dòng chảy phân tang và dòng chảy bot
phân tán.
- _ Trong các đường ống ngoài mỏ, dòng nút lỏng thường xuất hiện trong những ống có độ dốc lên. Nó có thể xảy ra ở tat cả các độ dốc.
- _ Cục chất lỏng có thé gây ra những van đề nghiêm trọng như ảnh hưởng tới chế độ vận
hành của các thiệt bi hạ nguôn, làm tăng ăn mon....
2.1.1.5 Dòng ch y dạng bọt kéo dai
Có câu trúc tương tự như dòng chảy dạng nút, nhưng các bọt khí bị tắc nghẽn một thời gian ngăn, vì vậy trở nên gián đoạn, những bọt khí nhỏ hơn và di chuyên chậm hơn so với dòng chảy dạng nút. Dòng chảy thường xuất hiện tại Ống năm ngang.
2.1.1.6 Dòng ch y dạng khuấy Ở dòng chảy dạng khuấy hay còn gọi là dòng chảy sti bọt, các bọt khí và nút khí trở nên bị biến dạng nhiều và xuất hiện sự hòa lẫn vào nhau khi pha khí có vận tốc dòng chảy lớn. Sự khác biệt giữa dòng chảy dạng nút khí và dòng chảy khuấy là màng chat lỏng bao quanh nút khí sẽ không xuất hiện ở dòng chảy khuấy.
2.1.2 Biểu đồ chế độ dòng chảy của dòng Vị trí tương đối của pha lỏng đối với pha khí trong quá trình vận chuyên băng đường Ống tạo nên các dạng cau trúc và chế độ dòng chảy khác nhau. Việc xác định chế độ dòng chảy trong đường ống vận chuyển dau khí là rat cần thiết cho quá trình tính toán và mô phỏng.
Chế độ chảy của dòng chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ chảy của các pha và độ dốc đường ống.
Hình 2-3 mô tả biểu đồ dòng chảy trong ông ngang và hình 2-4 mô tả biểu đồ dòng chảy trong ống đứng.
Dang nút
Lưu lượng chất lỏng
Lưu lượng chất khí
Hình 2-3. Biểu đồ chế độ dòng chảy trong ống ngang
Lưu lượng chất lỏng
Hình 2-4. Biểu đồ chế độ dòng chảy trong ống đứng
2.1.3. Một số đại lượng liên quan đến dòng đa pha 2.1.3.1 V n toc bê mặt
Được định nghĩa là vận tốc của pha (lỏng hoặc khí) nếu nó chiêm toàn bộ tiết diện ngang của ông dẫn.
— Qea Vor = Qua
V6 ~A, . A, (2.1)
Trong đó:
+ Vso, Vsr: vận tốc bề mặt của pha khí/lỏng (ft/s)
+ Qoa, Q¡A: lưu lượng thực của pha khí/lỏng tại điều kiện ống dẫn (ft S) + Ap: tiết điện ngang ông dan (f)
2.1.3.2 V n tốc hỗn hop
Là vận tốc thé tích trung bình của hỗn hợp khí — lỏng.
Vin = Vụ + Vise = N
Pp (2.2)
Với: + Vim vận tốc hỗn hop (ft/s)
+OT=Q¡A+Q;;a: tổng lưu lượng thực lưu thê trong ống (f⁄s)
2.1.3.3 Sự wot (Slip) va th tích chất lỏng chiếm chỗ (Liquid Holdup)
a) Sự truot
Nếu vận tốc của pha khí và pha lỏng trong đường ống bằng nhau thì ta gọi dòng chảy là
“không trượt (No-Slip)”. Tuy nhiên, trong hau hết các ống dẫn, pha khí di chuyển với tốc độ nhanh hơn pha lỏng, vì thế có sự trượt lên nhau giữa các pha, ta gọi dòng chảy này là “trượt
(Slip)”.
b) Liquid Holdup
Được định nghĩa là phan thé tích của ống dan bị chiém bởi pha lỏng.
- - Với dòng chảy “không trượt”, thé tích chất long chiếm chỗ băng tỷ số giữa lưu lượng thực pha long và tong lưu lượng lưu thé trong ống:
- Sis _ Msn
Hy Or Vn (2.3)
Với: Hins: Phan thể tích chất lỏng chiếm chỗ của dòng chảy không trượt
Q¡^: lưu lượng lỏng thực, ft3/sec
Qr: tổng lưu lượng thực lưu thé trong ống, ft3/sec - _ Với các dòng chảy có hiện tượng trượt, thể tích chất lỏng chiếm chỗ sẽ lớn hơn trường
hợp không trượt với cùng lưu lượng:
H,>H
- __ Hệ số H¡ là một thông số rat quan trọng dé đánh giá:
e Dạng dòng chảy trong ông e Trở lực đường ống
e Kích thước thiết bị Slug Catcher có thể xử l lượng lỏng trong quá trình phóng
thoi.
+ Giá tri cua Hị thường được xác định nhờ các tương quan thực nghiệm như
Beggs & Brill, Eaton và có thé dự đoán chính xác bằng các mô hình co sở
(Mechanistical Model).
+ H¡ phụ thuộc vào tính chất của pha khí và lỏng, chế độ dòng chảy, đường kính và độ dốc của ống cũng như lưu lượng lưu thé.
- Anh hưởng của các thông số vận hành chính đến liquid holdup:
Bảng 2-1. Ảnh hưởng của các thông số vận hành chính đến Liquid Holdup
Dòng chảy Dòng chảy Dòng chảy | Dòng chảy bọt
dang nút vành xuyến tầng phân tán Vận tốc khí bê Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh
mặt
Vận tốc long bề Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh
mặt
Ty trọng khí Vừa phải Mạnh Mạnh không
Đường kính ông | Vừa phải Yêu Yêu Yêu Gốc dốc Vừa phải Yếu Rất mạnh không Tính chất chất Vừa phải Vừa phải Vừa phải Yếu
lỏng
2.1.3.4 V n tốc thực của pha lồng và pha khí
V, = Ors — Vy = Oca — Vợ (2.4)
H,A, A, | A,A, Họ
,
Với: Hy, Họ: Liquid và Gas Holdup
2.1.3.5 Chất lồng Newton và phi Newton Hầu hết condensate và dầu thô tuân theo định luật về độ nhớt của Newton:
dv.
Ti, =H 2.5
Trong đó: Tyx: Ứng suất trượt
u: độ nhớt của lưu thể
v„: tốc độ di chuyển theo phương x
y: khoảng cách
Những chất lỏng tuân theo định luật trên gọi là chất lỏng _ewton, tuy nhiên cũng có một vài chất lỏng không tuân theo, chúng được gọi là chất lỏng phi Newton. Trong khai thác dâu khí, một ví dụ về chat lỏng phi Newton là bùn khoan, phụ gia polymer hoặc dau thô ở nhiệt độ dưới điểm vẫn đục (Cloud Point).
2.1.4 Trở lực cia đường ống đa pha Tổng tốn that áp suất qua một đường ống đa pha AP+, được tính bởi công thức sau:
APr — APr + AP a + AP ace (2.6)
Trong do: APr: ton thất áp suất do ma sát
AP,¡: ton that áp suất do thay đổi độ cao AP,..: ton thất áp suất do sự gia tốc lưu thê
Dòng đa pha là một hiện tượng phức tạp, rất khó để dự đoán và mô hình hóa chính xác. Các phương pháp tiếp cận đối với dòng đơn pha không còn phù hợp đối với đường ông đa pha. Các yếu t6 gây nên sự phức tạp này bao gồm ma sát giữa các pha và sự khác biệt lớn giữa tính chat của từng pha riêng biệt (ví dụ: ty trọng, nhiệt dung...) cũng như sự chuyển pha có thé xảy ra trong quá trình vận chuyển.
Có ba cách tiếp cận được sử dụng trong thực tế dé tính toán các tính chat đa pha như gradient áp suất và nhiệt độ: mô hình dòng đơn pha, mô hình hệ số ma sát và mô hình cơ học. Hai mô hình đầu tiên sử dụng các tính chat gia cua dong da pha bang các hệ số thực nghiệm dựa trên tính chất từng pha riêng biệt. Mô hình Beggs & Brill (1973) là một mô hình điển hình và được sử dụng trong nhiều đánh giá quan trọng khi không có mô hình OLGA-S. Tuy nhiên, kết quả thu được từ mô hình này không tốt lắm và thường có xu hướng dự đoán quá cao tổn that áp suất dẫn đến làm tăng chi phí dau tư.
Mô hình cơ học dựa trên các định luật cơ bản như: bảo toàn moment, bảo toàn vật chất, bảo toàn năng lượng và các định luật truyền khối.
Cân bằng moment cho pha khí va pha lỏng được Taitel và Dukler dé nghị như sau:
Cân bằng moment cho pha lồng:
Ar +7,S,+ 9,A,gsina =0 (2.7)dP .
Can bang moment cho pha khi:
— Á, x} TS q + TS; + PoAgg sina =0 (2.8)dP .
Với: +P: áp suất
+ A; tiết diện ngang ống dan + §: chu vi thâm ướt
+ p: tỷ trọng + t: shear rate
+a: độ dốc đường ống so với phương ngang
+ Ký hiệu G: Khí
L: Lỏng i: Mat phân cach
T6n that áp suất chấp nhận được: Không có tiêu chuẩn rõ ràng dé xác định ton that áp suất chấp nhận được trong các thiết kế đường ống. Các tiêu chuẩn sau chỉ có nghĩa tham khảo:
- _ Với đường ông trong nha máy: AP; = 0.2 + 0.5 psi/100 ft chiều dài - _ Nếu không thé mô phỏng hệ thống một cách chính xác, tổng ton that áp suất chap nhận
được qua đường ống thường lay bằng 1/3 chênh lệch áp suất ở dau giếng và bình tách.
Phần còn lại là trở lực của van tiết lưu.
- _ Đường ống vận chuyên Khí/Condensate dai: AP; = 10 + 20 psi/mile - _ Khi thiết kế đường ông can phải cân nhắc các yêu tố như khả năng thu hồi dau, công
suất các hệ thống thượng nguôn và hạ nguồn.
2.2 Qua trình truyền nhiệt và các van đề liên quan 2.2.1 Sự truyền nhiệt từ lưu 0 tường Ô a ôi wong bên ngoài
Để có thể mô hình hóa sự truyén nhiệt từ lưu thé trong ống ra môi trường bên ngoài, ta cần phải biết được các thông tin sau:
- D6 dày của thành ống, lớp bảo vệ và lớp phủ cách nhiệt - Ong được chôn hay phơi ngoài môi trường
- _ Độ sâu chôn đường ống
- Dang môi trường xung quanh (khí, nước...)
- _ Nhiệt độ môi trường
- Hệ số dẫn nhiệt của ống dẫn, lớp bảo vệ, lớp cách nhiệt.
Fluid Tị in pipe
External medium To
Hình 2-5: Mặt cắt ngang của một đường ống dẫn Các dạng truyền nhiệt từ Ống ra môi trường:
- Dan nhiệt qua tường và các lớp cách nhiệt - Truyén nhiệt đối lưu từ lưu thé đến thành ống phía trong và từ thành ống phía ngoài đến
môi trường.
- _ Bức xạ nhiệt: chỉ chiếm tỉ lệ rất nhỏ với hệ có nhiệt độ thấp.
2.2.1.1 Sự dẫn nhiệt qua thành ống
Hình 2-6. Dẫn nhiệt qua thành ống
Nhiệt lượng truyền qua | m chiều dài ống được tinh theo công thức:
H=— 27 WmK.P (2.9)
Sk, Int
Trong đó:
- __H: hệ số truyền nhiệt qua 1m chiều dài ống, W/m.K ki: hệ số truyền nhiệt của các lớp, W/m.K
r;¡ bán kính truyền nhiệt, m Hệ số truyền nhiệt qua thành ống tính theo đường kính trong của Ống:
h = —— 2Al aD, Wim? K (2.10)
Trong đó:
h: hệ số truyền nhiệt qua thành ống tính theo đường kính trong , W/m”.K D¡: chu vi trong của ống, m
2.2.1.2 Truyền niệ o ối lưu Cả bề mặt bên trong và bên ngoài ống dẫn đều tiếp xúc với các lưu chat vì thế truyền nhiệt đối lưu sẽ xảy ra khi có sự khác biệt về nhiệt độ giữa bề mặt thành ống và lưu chất.
Sự truyền nhiệt này xuất hiện tại lớp màng lưu chat sát bề mặt thành ống.
a) Đối lưu ôi Nhiệt được truyền từ lưu chất đến thành ống phía trong.
Phương trình Dittus-Boelter cho sự truyền nhiệt của dòng chảy xoáy:
Nu, =0.0255Re,”.Pr" (2.11)
Với:
- h,D,
Nu: chuân sô Nusselt: Nu
ng DvP
e Re: chuan sô Reynolds: Re, = ass
e Pr: chuẩn số Prandtl: Pr, = Corte
k,
e n: 0.4 néu lưu chat bị đốt nong, 0.3 nếu lưu chất bi làm nguội e hj: hệ số truyền nhiệt đối lưu nội, Btu/ft’ hr.°F (W/m”.K) e Dj: đường kính trong của ông,m
e ky: hệ số dẫn nhiệt của lưu thé, Btu/ft.hr.°F (W/m.K) e vr vận tốc lưu chất, ft/s hoặc m/s
e - p¡: khối lượng riêng lưu chat, lb/ft’ hoặc kg/m”
e up độ nhớt lưu chất, Ib/ft.s hoặc Pa.s e Cyr: nhiệt dung riêng dang áp của lưu chat, Btu/Ib.°F (J/kg.K) - Tinh chất của lưu thé được do tại nhiệt độ trung bình của nó.
- _ Công thức trên được áp dụng khi Re > 10,000 và Pr = 0.7 + 160, chiều dài ống L > 10D - _ Với chế độ chảy dòng (chảy màng — Re < 2,100), h, được tính nhờ phương trình Hausen:
0.668” ) Re, Pr,D
Nu, =3.66+ : = (2.12)
Loa 2 )Re, Ps |
e Với L, là khoảng cách từ đầu vào của ống đến điểm cân khảo sát.
e Trong hau hết các trường hợp, D/Lu= nên u¡ =3.66 - _ Với chế độ chảy trung gian ( 2,100 < Re < 10.000), sử dụng phương trình Gnielinski:
Ny, -— C/8(Re,— 1000) Pr,
© 1412.7(f /8)'? (Pr -D (2.13)
e Hệ số masát được tính từ giản độ Moody: