CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN BẢO ĐẢM DÒNG CHẢY TỪ GIÀN X2-WHP VỀ X1-
4.1 Phân tích thủy lực
Mục đích phân tích thủy lực là nhằm xác định kích thước đường ống thỏa mãn các điều kiện ràng buộc về áp suất, vận tốc mài mòn, khả năng hình thành nút chất lỏng và hiệu quả kinh tế của dự án.
Dựa trên các phân tích trạng thái tĩnh (Steady State Analysis). Các mô hình thủy lực tĩnh được sử dụng để xác định đường kính ống dẫn.
Khi thiết kế đường ống dẫn và đánh giá thủy lực cho hệ thống, cần phải có sự quan tâm đến sự thay đổi của các thông số như lưu lượng khai thác, hàm lượng nước, tỷ số khí lỏng trong suốt thời gian khai thác mỏ. Các phương pháp tận thu dầu như gasli t hay bơm cũng được xem xét.
Chi tiết về tiêu chuẩn xác định kích thước đường ống được trình bày tại mục 2.3.
Theo tiêu chuẩn API 14E, khi xác định kích thước của đường ống, để đảm bảo đường ống vận hành an toàn trong suốt đời mỏ, sản lượng khai thác tối đa (sản lượng dầu, khí và chất lỏng lớn nhất) được cân nhắc để thiết kế. Cụ thể các trường hợp khai thác dùng để mô phỏng được trình bày tại Bảng 4-1.
Bảng 4-1. Các trường hợp khai thác cần phân tích thủy lực
Trường hợp
Gaslift
Triệu bộ khối khí/ngày
Khí khai thác
Triệu bộ khối khí/ngày
Dầu khai thác
Thùng/ngày
Nước khai thác Thùng/ngày
Ghi chú
1 0 3,92 11,063 1319,13 Sản lượng dầu lớn nhất
2 3,43 1,48 4161,58 718,73 Sản lượng khí lớn nhất
Dữ liệu đầu vào cho mô phỏng thiết kế đường ống được lấy trên cơ sở dữ liệu về đường ống, các điều kiện ràng buộc như đ trình bày tại Chương I và cùng với một số giả định cụ thể như sau:
- Kích thước các đường ống có đường kính danh nghĩa 8 inch, 10 inch và 12 inch được sử dụng để mô phỏng. Thông số của đường ống và tính chất của vật liệu được trình bày chi tiết tại Bảng 1-3 và Bảng 1-4.
- Phân tích thủy lực được thực hiện trên cơ sở giả định đường ống từ X2-WHP đến X1- CPP có hệ số truyền nhiệt tống U=0.25 Btu/ft2.H.0F.
- Độ nhám của đường ống là 0.0457 mm.
HVTH: Thập Minh Thư 58 - Sử dụng phần mềm OLGA 7.0 và tính chất chất lưu được mô phỏng với phương trình
trạng thái Peng-Robinson (PR).
- Chiều dài cộng thêm đường ống trên khối thượng tầng (Topside Piping) là 40m cho mỗi giàn WHP và CPP.
- Cả hai giàn WHP và CPP được giả định cao 20m tính từ mặt nước biển.
- Áp suất đến tại CPP được cố định 164,4 psia và nhiệt độ đầu giếng tại WHP là 80oC.
- Tất cả các mô phỏng được thực hiện tại điều kiện môi trường xung quanh lớn nhất.
4.1.1 Kết qu mô phỏng :
a) Áp suất ầu vào tại X2-WHP
Việc tính toán đầu tiên là dự báo áp suất đầu vào tại giàn đầu giếng X2-WHP khi cố định áp suất tại bình tách cấp 1 của giàn công nghệ trung tâm X1-CPP là 164,4 psia.
Hình 4-1 và Hình 4-2 thể hiện cấu hình áp suất (Pressure Profile) tại X2-WHP tương ứng với hai trường hợp phân tích.
Hình 4-1. Cấu hình áp suất trong trường hợp 1
0 50 100 150 200 250 300 350
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Pressure (psia)
Pipeline Length (m)
Pressure Profile: Pipeline between X2-WHP and X1-CPP (Case 1) 8 inch 10 inch 12 inch
HVTH: Thập Minh Thư 59 Hình 4-2. Cấu hình áp suất trong trường hợp 2
Dựa trên Hình 4-1 và Hình 4-2 có thể nhận thấy áp suất đầu vào tại giàn X2-WHP trong trường hợp 1 là 291, 217 và 198 psia tương ứng với đường ống 8, 10 và 12 inch. Còn trong trường hợp 2 áp suất đầu vào tại giàn X2-WHP là 246, 188, 180 psia tương ứng với đường ống 8, 10, 12 inch. Với đường ống 10 và 12 inch thì có áp suất đầu vào thỏa mãn áp suất cho phép tại giàn X2-WHP. Còn đường 8 inch thì trong trường hợp có áp suất lớn hơn áp suất cho phép tại X2-WHP (264,4 psia).
b) Nhiệ ộ ến tại X1-CPP
Mô phỏng được thực hiện với nhiệt độ tại đầu giếng X2-WHP là 800C. Hình 4-3 và Hình 4-4 mô tả cấu hình nhiệt độ (Temperature Profile) của đường ống từ X2-WHP đến X1-CPP
0 50 100 150 200 250 300
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Pressure (psia)
Pipeline Length (m)
Pressure Profile: Pipeline between X2-WHP and X1-CPP (Case 2)
8 inch 10 inch 12 inch
HVTH: Thập Minh Thư 60 Hình 4-3. Cấu hình nhiệt độ trong trường hợp 1
Hình 4-4. Cấu hình nhiệt độ trong trường hợp 2
Dựa trên hình vẽ có thể nhận thấy nhiệt độ đến tại X2-CPP trong cả hai trường hợp 1 và 2 cho các đường ống 8, 10, 12 inch đều lớn nhiệt đô bắt đầu kết tinh paraffin (54.5 0C).
c) Lư lượng chất lỏ ến X1-CPP
Việc mô phỏng lưu lượng chất lỏng đến CPP nhằm xác định trong đường ống có hình nút lỏng hay không. Yếu tố này rất quan trọng vì ảnh hưởng đến thiết bị hạ nguồn.
Hình 4-5 và Hình 4-6 mô phỏng lưu lượng đến tại CPP cho hai trường hợp phân tích.
70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Temperature (0C)
Pipeline Length (m)
Temperature Profile: Pipeline between X2-WHP and X1-CPP (Case 1) 8 inch 10 inch 12 inch
60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Temperature (0C)
Pipeline Length (m)
Temperature Profile: Pipeline between X2-WHP and X1-CPP (Case 2) 8 inch 10 inch 12 inch
HVTH: Thập Minh Thư 61 Hình 4-5. Lưu lượng chất lỏng đến CPP trong trường hợp 1
Hình 4-6. Lưu lượng chất lỏng đến CPP trong trường hợp 2
Dựa trên hình 4-5 và hình 4-6 có thể nhận thấy, nút chất lỏng không hình thành trong đường ống 8 và 10 inch trong cả hai trường hợp 1 và 2.
Đối với đường ống 12 inch có sự hình thành nút chất lỏng khi đến X1-CPP. Vì thế, cần phải căn nhắc khi sử dụng đường ống này để vận chuyển. Nếu lựa chọn đường ống này để vận chuyển thì phải xem xét khả năng xử lý của Slug Catcher trên X1-CPP có đủ công suất để bắt các nút lỏng này hay không.
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Liquid Rate (STB/d)
Time (hr)
Liquid Arrival Rate at CPP Oulet - Case 1 8 inch 10 inch 12 inch
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000
0 2 4 6 8 10
Liquid Rate (STB/d)
Time (hr)
Liquid Arrival Rate at CPP Oulet - Case 2 8 inch 10 inch 12 inch
HVTH: Thập Minh Thư 62 d) Tỷ số v n tốc mài mòn – EVR Profile
Vận tốc trong đường ống đa pha cần phải nằm trong giới hạn cho phép để đảm bảo quá trình vận hành suôn sẽ. Nếu vận tốc quá lớn sẽ làm tăng mài mòn đường ống tại những vị trí như đoạn cong hay khớp nối. Nếu vận tốc quá thấp cũng gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng như tích tụ nước tại các vùng lồi lõm gây ăn mòn nếu dòng chứa CO2 hay H2S và dễ gây ra hiện tượng hình thành nút lỏng tại những vùng ống lồi lõm hoặc hệ thống ống dẫn – riser.
Vì thế việc tính toán tỷ số vận tốc mài mòn của đường ống rất quan trọng trong thiết kế đường ống. Để đảm bảo vận chuyển an toàn thì tỷ số vận tốc mài mòn trong đường ống phải nhỏ hơn 1.
Hình 4-7 và Hình 4-8 thể hiện tỷ số vận tốc mài mòn của đường ống khi vận chuyển sản phẩm từ giàn X2-WHP đến X1-CPP. Dựa vào hình vẽ nhận thấy tỷ số vận tốc mài mòn cho cả hai trường hợp 1 và 2 đều nhỏ hơn 1 trong suốt chiều dài vận chuyển đối với cả đường ống 8, 10 và 12 inch.
Hình 4-7. Tỷ số vận tốc ăn mòn trong trường hợp 1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
EVR []
Pipeline length [m]
Erosional Velocity Ratio Profile - Case 1 8 inch 10 inch 12 inch
HVTH: Thập Minh Thư 63 Hình 4-8. Tỷ số vận tốc ăn mòn trong trường hợp 2
4.1.2 Phân tích kết qu
Kết quả phân tích thủy lực được tóm tắt tại Bảng 4-2 và Bảng 4-3
Bảng 4-2. Áp suất ngược tại X2-WHP và nhiệt độ tại X1-CPP
Trường hợp
Gaslift Triệu bộ
khối khí/ngày
Khí khai thác Triệu bộ
khối khí/ngày
Dầu khai thác Thùng/ngày
Nước khai thác Thùng/ngày
Đường kính INCH
Áp suất (psia) Nhiệt độ (oC) X2-
WHP X1- CPP
X2WHP X1- CPP
1 0 3,92 11063 1319,13
8 291,77 164,4 80 72,06
10 217,25 164,4 80 72,35
12 198,13 164,4 80 71,27
2
3,43 1,48 4161,58 718,73 8 246,06 164,4 80 67,26
10 188,49 164,4 80 66,6
12 180,64 164,4 80 64,92
Bảng 4-3. Hàm lượng chất lỏng trong đường ống và lưu lượng chất lỏng đến CPP
Trường hợp
Gaslift Triệu bộ khối khí/ngày
Khí khai thác Triệu bộ khối khí/ngày
Dầu khai thác Thùng/ngày
Nước khai thác Thùng/ngày
Đường kính INCH
Tổng hàm lượng chất lỏng trong đường ống (thùng)
(Phụ lục 9)
Lưu lượng chất lỏng đến
tại CPP (thùng/ngày)
1 0 3,92 11063 1319,13
8 605 12378
10 1000 12281
12 1316 – 1738 0 - 110459
2
3,43 1,48 4161,58 718,73 8 314 4883
10 603 4889
12 735 - 980 0-166867
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
EVR []
Pipeline Length (m)
Erosional Velocity Ratio Profile - Case 2 8 inch 10 inch 12 inch
HVTH: Thập Minh Thư 64 Với kết quả phân tích thủy lực được thực hiện cho các đường ống 8”, 10”, 12” và áp suất cố định tại đầu ra là 164,4 psia có thể kết luận như sau:
- Đối với đường ống 8”: trong cả 2 trường hợp mô phỏng đều thỏa mãn yêu cầu về nhiệt độ đến CPP (cao hơn nhiệt độ hình thành paraffin), lưu lượng đến CPP không xuất hiện nút chất lỏng và đảm bảo dòng chảy dưới ngưỡng vận tốc mài mòn. Tuy nhiên, áp suất đầu vào tại X2-WHP trong trường hợp 1 là 292 psia cao hơn áp suất ràng buộc cho phép tại X2-WHP (264,7 psia). Áp suất đầu vào quá cao sẽ ảnh hưởng đến khai thác của các giếng trên WHP. Vì thế đường ống 8 inch không được lựa chọn để vận chuyển sản phẩm khai thác từ X2-WHP đến X1-CPP.
- Đường ống 10 inch: trong cả 2 trường hợp mô phỏng đều thỏa mãn yêu cầu về áp suất đầu vào tại X1-WHP, nhiệt độ đến CPP cao hơn nhiệt độ hình thành paraffin, lưu lượng đến CPP không hình thành nút chất lỏng, đảm bảo dòng chảy dưới ngưỡng vận tốc mài mòn. Vì thế đường ống 10 inch được khuyên dùng để sản phẩm khai thác từ X2-WHP đến X1-CPP.
- Đường ống 12 inch: trong cả 2 trường hợp mô phỏng đều thỏa mãn yêu cầu về áp suất đầu vào, nhiệt độ đến CPP (cao hơn nhiệt độ hình thành para in), đảm bảo dòng chảy dưới ngưỡng vận tốc mài mòn. Tuy nhiên, trong cả 2 trường hợp đều hình thành nút chất lỏng đến CPP. Về mặt kỹ thuật có thể cân nhắc sử dụng đường ống này để vận chuyển sản phẩm từ X2-WHP về X1-CPP cùng với việc xem xét thiết kế Slug Catcher đặt tại CPP để xử lý nút chất lỏng. Tuy nhiên sử dụng đường ống 12 icnh thì chi phí đầu tư cao hơn so với đường ống 10 inch.
- Khảo sát với các đường ống dưới 8 inch thì yêu cầu áp suất đầu vào cao hơn đáng kể so vơi áp suất cho phép tại X2-WHP nên không được khuyên dùng. Khi khảo sát với cấp đường ống lớn hơn 12 inch thì có sự hình thành nút lỏng, không đảm bảo nhiệt độ đến X1-CPP và bất lợi về mặt chi phí nên cũng không được sử dụng.
Dựa trên kết luận ở trên cho thấy đường ống 10 inch là lựa chọn tốt nhất trên cơ sở kỹ thuật và chi phí đầu tư.
Với đường ống 10 inch được lựa chọn sẽ tiến hành phân tích nhiệt để xác định hệ số truyền nhiệt tổng U nhằm đảm bảo nhiệt độ tới CPP luôn lớn hơn nhiệt độ hình thành paraffin và từ giá trị U sẽ tính toán lớp bọc cách nhiệt cho đường ống. Phần phân tích nhiệt được trình bày trong mục 4.2.