CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN ĐƯỜNG ỐNG VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ ĐA PHA
2.3 Thiết kế đường ống dẫn dầu
- Ba tiêu chuẩn thiết kế của đường ống:
+ Tổn thất áp suất
+ Giới hạn vận tốc cho phép + Chế độ chảy của dòng trong ống - Các dữ liệu cần có khi thiết kế ống:
+ Áp suất tiếp nhận ở các thiết bị hạ nguồn, áp suất đầu giếng…
+ Sản lượng khai thác của mỏ + Thành phần lưu chất
+ Cấu hình hình học của đường ống, cao độ tuyến ống + Nhiệt độ lưu chất và dữ liệu về môi trường
2.3.2 Tổn thất áp suất
Tổng tốn thất áp suất qua một đường ống đa pha ΔPT, được tính bởi công thức sau:
ΔPT = ΔPf + ΔPel + ΔPacc Trong đó: ΔPf: tổn thất áp suất do ma sát
ΔPel: tổn thất áp suất do thay đổi độ cao
HVTH: Thập Minh Thư 39 ΔPacc: tổn thất áp suất do sự gia tốc lưu thể
2.3.3 Giới hạn vận tốc
Vận tốc trong đường ống đa pha cần phải nằm trong giới hạn cho phép để đảm bảo quá trình vận hành an toàn.
2.3.3.1 V n tốc tối a
Do trong quá trình khai thác dầu khí, luôn có lẫn cát và các chất rắn trong sản phẩm khai thác nên nếu vận tốc quá lớn sẽ làm tăng mài mòn đường ống tại những vị trí như đoạn cong hay khớp nối… và có thể phá hủy lớp bảo vệ bên trong ống, làm tăng ăn mòn.
Vận tốc tối đa cho phép được tính theo phương trình của API-14E:
ns
V C
max (2.20) Với: + ρns: khối lượng riêng của hỗn hợp no-slip
m sl l sg g
ns V
V V
(2.21)
+ C: hằng số, phụ thuộc vào vật liệu làm ống và chế độ dòng chảy
C = 100 với dòng chảy liên tục
C = 125 với dòng chảy gián đoạn
2.3.3.2 V n tôc tối thi u
Vận tốc quá thấp cũng gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng:
- Tích tụ nước tại các vùng trũng của ống gây ra ăn mòn nếu dòng có chứa CO2 hay H2S.
- Liquid Holdup tăng nhanh khi vận tốc chảy nhỏ tạo ra một lượng lớn nước tích tụ sẽ gây ảnh hưởng đến các thiết bị hạ nguồn trong trường hợp phóng thoi hay có sự thay đổi nhanh về lưu lượng trong ống.
- Dễ gây ra hiện tượng nút lỏng do địa hình tại những vùng ống lồi lõm hoặc hệ thống ống dẫn – Riser.
HVTH: Thập Minh Thư 40 Vận tốc cho phép tối thiểu phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: địa hình, đường kính ống, tỷ số dầu khí và các điều kiện vận hành đường ống. Vận tốc cho phép được xác định nhờ mô phỏng hệ thống, và thường có giá trị từ 5 ÷ 8 ft/sec.
2.3.3.3 Chế ộ dòng ch y
hư đ đề cập ở mục 2.1.1, dòng đa pha chảy trong ống ở nhiều chế độ khác nhau: phân tầng, chảy màng, dạng nút hay bọt phân tán. Việc dự đoán được chế độ chảy của dòng rất quan trọng, nó cho biết đường ống vận hành ở chế độ dòng chảy ổn định hay bất ổn.
Chế độ chảy của dòng còn có ảnh hưởng lớn đến liquid hold-up và tổn thất áp suất.
Chế độ chảy của dòng chủ yếu phụ thuộc vào vận tốc của các pha và độ dốc của đường ống.
Bảng liệt kê ảnh hưởng của các thông số chính đến sự chuyển tiếp giữa các chế độ dòng chảy:
Bảng 2-3. Ảnh hưởng của các thông số đến chế độ dòng chảy Thông số
chuyển tiếp
Dòng chảy nút sang bọt
phân tán
Dạng nút sang dòng chảy vành xuyến
Dòng chảy nút sang dòng
chảy tầng
Dòng chảy tầng sang vành
xuyến
Góc dốc Nhỏ Vừa phải Mạnh Mạnh
Tỷ trọng khí Nhỏ Mạnh Mạnh Mạnh
Đường kính ống Nhỏ Nhỏ Mạnh Vừa phải
Tính chất chất lỏng
Vừa phải Nhỏ Vừa phải Vừa phải
Một số quy tắc chung khi xác định chế độ dòng chảy:
- Dòng phân tầng: xuất hiện khi vận tốc pha khí và lỏng đều nhỏ - Dòng chảy bọt phân tán: xuất hiện khi vận tốc pha lỏng lớn - Dòng chảy màng: vận tốc pha khí lớn
- Dòng chảy dạng nút: vận tốc pha khí và lỏng trung bình
2.3.3.4 Các mô hình khuyên dùng khi dự ổn thất áp suất, liquid holdup và chế ộ dòng ch y khi thiết kế ường ống
Trong tất cả các trường hợp, mô hình Olga là mô hình được khuyên dùng bởi tính chính xác của nó. Đây là một mô hình cơ học, thuần túy vật lý, tính toán các cân bằng nhiệt, vật chất, động lượng… cho cả ba pha là khí/lỏng/giọt lỏng phân tán trong khí.
HVTH: Thập Minh Thư 41 Các mô hình khác là các mô hình thực nghiệm chỉ tính cho 2 pha lỏng/khí mà không xét đến ảnh hưởng của các giọt lỏng trong pha khí, điều này có thể dẫn đến dự đoán quá cao tổn thất áp suất trên đường ống nên chúng chỉ được áp dụng trong một khoảng điều kiện nhất định.
Các mô hình thực nghiệm được khuyên dùng khi mô hình Olga không được sử dụng được trình bày tại bảng Bảng 2-4.
Bảng 2-4. Các mô hình thực nghiệm có thể thay thế Olga Ống ngang/gần ngang Ống đứng/ gần đứng
ΔP Beggs & Brill Hagedorn – Brown
Liquid Holdup Beggs & Brill Hagedorn – Brown
Chế độ dòng Taitel – Dukler map Taitel – Dukler – Barnea map
HVTH: Thập Minh Thư 42
CHƯƠNG 3. MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ BẰNG ĐƯỜNG ỐNG ĐA PHA