CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN ĐƯỜNG ỐNG VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ ĐA PHA
3.3 Sự hình thành nút lỏng (Slug)
3.3.3 Các dạng nút lỏng
3.3.3.1 Nút lỏng hình thành do thủy động
Nút lỏng được tạo thành trong đường ống khi pha khí di chuyển với tốc độ nhanh trên pha lỏng di chuyển chậm. Pha khí sẽ tạo thành các cột sóng trên bề mặt chất lỏng, nếu cột sóng này đủ lớn nó sẽ chiếm toàn bộ tiết diện ngang của ống và cản trở dòng chảy của pha khí, cục chất lỏng này là nút lỏng thủy động.
Hình 3-8. Nút lỏng hình thành do thủy động
HVTH: Thập Minh Thư 50 3.3.3.2 Nút lỏng hình thành do địa hình
Nút lỏng được tạo thành khi pha lỏng tích tụ tại những vùng trũng trên đường ống. Phần chất lỏng này sẽ ngăn cản dòng chảy, làm tăng áp suất ở phần ống phía trước, cho đến khi áp suất tăng đủ lớn nó sẽ đẩy lượng lỏng tích tụ ra khỏi chỗ trũng và hình thành slug.
Hình 3-9. Nút lỏng hình thành do địa hình
Nút lỏng hình thành thường thấy gặp nhất xuất hiện tại đoạn kết đáy ống Riser hay được gọi là hiện tượng “Severe Slugging” được hình thành qua 4 giai đoạn:
- Giai đoạn 1 – Pha lỏng tích tụ ở đáy của ống Riser, bít kín dòng chảy làm tăng áp suất ở phần ống trước.
- Giai đoạn 2 – Áp suất đủ lớn để thắng cột áp suất thủy tĩnh trong ống Riser, cục chất lỏng bị đẩy ra khỏi ống hình thành slug.
- Giai đoạn 3 – Pha khí đẩy hoàn toàn lỏng ra khỏi Riser.
- Giai đoạn 4 – Dòng khí chảy ổn định qua hệ thống, cuối giai đoạn này, pha lỏng tích tụ lại tại đáy Riser bắt đầu chu kỳ mới.
Giai đoạn hình thành “Severe Slugging” được thể hiện trên hình vẽ Hình 3-10.
HVTH: Thập Minh Thư 51 Hình 3-10. Các giai đoạn hình thành nút lỏng trong hệ pipeline – riser
Nút lỏng tạo thành do địa hình hay còn gọi là “severe slugging” xuất hiện khi vận tốc của pha khí và pha lỏng nhỏ. Kích thước của nó có thể rất dài, đến hàng trăm mét, đặt biệt là nút lỏng gây ra do hệ thống Pipeline - Riser và gây nhiều khó khăn khi vận hành.
Để đánh giá khả năng hình thành “Severe Slugging” tại vị trí Pipeline – Riser, người ta sử dụng hệ số πss:
HVTH: Thập Minh Thư 52
) 1
( L
L SL
G SG
ss V gL H
V
(3.3)
Với: VSG, VSL: vận tốc bề mặt của pha khí và pha lỏng ρG, ρL: khối lượng riêng pha khí, lỏng
g: gia tốc trọng trường
L: chiều dài đoạn ống phía trước riser HL: liquid holdup trong ốn
Khi πss < 1: Severe Slugging có thể xảy ra.S
3.3.3.3 Nút lỏng hình thành do phóng thoi
Được tạo thành trong quá trình phóng con thoi. Thoi sẽ đẩy toàn bộ hoặc phần lớn lượng lỏng trong ống ra ngoài và tạo thành slug.
3.3.3.4 Nút lỏng hình thành khi khởi động và giảm áp
Khi ngừng hoạt động, chất lỏng còn trong ống sẽ chảy về và tích tụ ở những vùng trũng. Khi hoạt động trở lại, lượng lỏng tích tụ này sẽ bị đẩy khỏi ống hình thành nút lỏng.
Khi đường ống được giảm áp trong quá trình dừng khai thác, nút lỏng cũng có thể hình thành do vận tốc lớn của pha khí trong giai đoạn này.
3.3.3.5 Nút lỏng hình thành do thay đổi lưu lượng
Khi lưu lượng tăng, Liquid Holdup trong đường ống giảm. Khi đường ống chuyển từ trạng thái ổn định tại lưu lượng này đến trạng thái cân bằng tại một lưu lượng lớn hơn, sự thay đổi này có thể làm cho lưu lượng lỏng đi ra khỏi ống tăng lên hoặc cũng có thể tạo thành nút lỏng, phụ thuộc vào mức độ thay đổi lưu lượng.
3.3.3.6 Một số phương pháp làm giảm ảnh hưởng của nút lỏng do địa đình Thay đổi độ dốc của đường ống:
HVTH: Thập Minh Thư 53 - Thay đổi độ dốc đường ống để đảm bảo rằng ống nối trực tiếp với Riser có độ dốc lên,
và có chiều dài xấp xỉ vài lần ống Riser. Điều này có thể làm tăng chiều dài đường ống nhưng lại làm giảm được Severe Slugging do nó không thể hình thành với một đường ống dốc lên tại đáy Riser.
Gas Injection:
- Khí được đưa vào đáy của ống Riser sẽ giúp ngăn ngừa sự tích tụ chất lỏng và do đó làm giảm nguy cơ hình thành Severe Slugging.
- Thậm chí cả khi khí được đưa vào không đủ để nâng chất lỏng liên tục khỏi Riser thì cũng trộn lẫn với dầu, làm giảm khối lượng riêng của lưu chất, từ đó làm giảm cột áp suất thủy tĩnh và sẽ làm giảm được chu kỳ và mức độ nghiêm trọng của Severe Slugging.
Topside choking:
- Một van điều khiển được lắp đặt tại đỉnh của Riser sẽ giúp ổn định dòng chảy khí- lỏng trong ống, nó sẽ giúp tăng tốc chất lỏng, từ đó làm giảm áp suất thủy tĩnh ở ống Riser và làm giảm nguy cơ Severe Slugging.Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là làm tăng tổn thất áp suất, do đó làm tăng áp suất ngược.
- Tác dụng thứ hai của sử dụng topside choking là sự tăng áp suất ngược có thể làm thay đổi chế độ dòng chảy trong đoạn ống từ dòng phân tầng sang chế độ bọt và làm giảm Severe slugging.