CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN ĐƯỜNG ỐNG VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ ĐA PHA
2.1 Các khái niệm cơ bản về dòng chảy đa pha
2.1.1 Các chế độ dòng chảy của dòng
Trong dòng chảy đa pha, pha khí và pha lỏng được phân bố theo những kiểu khác nhau gọi là chế độ dòng chảy của dòng, phụ thuộc vào chủ yếu vào tốc độ dòng chảy của các pha và độ dốc của đường ống.
Đường ống được chia thành hai loại theo độ dốc với phương ngang là: đường ống nằm ngang (độ dốc ± 10o) và đường ống thẳng đứng (từ 10 ÷ 90o).
- Trong đường ống nằm ngang, dòng chảy đa pha có thể thay đổi nhiều chế độ dòng chảy khác nhau. Đối với dòng chảy hai pha khí lỏng thì có thể tồn tại các chế độ dòng chảy như Hình 2-1.
HVTH: Thập Minh Thư 24 Hình 2-1. Chế độ dòng chảy trong đường ống nằm ngang
- Trong đường ống thẳng đứng, dòng chảy hai pha có thể được phân loại thành các chế độ dòng chảy như mô tả tại Hình 2-2.
Hình 2-2. Chế độ dòng chảy trong đường ống nằm ngang
Dòng chảy dạng nút Dòng chảy phân tầng
Dòng chảy bọt kéo dài Dòng chảy dạn sóng
Dòng chảy bọt khí
Dòng chảy dạng vành xuyến
Dòng chảy bọt khí
Dòng chảy nút
Dòng chảy khuấy
Dòng chảy vành xuyến
HVTH: Thập Minh Thư 25 2.1.1.1 Dòng ch y phân lớp:
Pha lỏng phân bố dọc theo phía dưới tuyến ống nằm 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 yếu 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 phẳng 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 >1o.
- Thường xuất hiện trong các đường ống 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 nằm ngang và ống thẳng đứng. Chế độ dòng chảy này có đặc điểm là màng chất lỏng trải quanh thành ống bao bọc phần lõi khí bên trong chuyển động với vận tốc cao và trong lõi khí còn những giọt chất lỏng nhỏ.
Dòng chảy này hình thành do các yếu tố 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.
- Chiều 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 màng lỏng giảm, lượng lỏng lẫn trong khí tăng.
- Dòng chảy hình khuyên xuất hiện tại tất cả độ dốc, hầu hết các đường ống đứng vận chuyển khí/lỏng (khí chủ yếu) ở áp suất cao là chảy hình khuyên.
2.1.1.3 Dòng ch y bọt phân tán
Xuất hiện trong cả ống nằm ngang và ống thẳng 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
HVTH: Thập Minh Thư 26 liên tục các bong bóng khí được hình thành trong pha lỏng và có khuynh hướng tập trung gần phía trên thành ống.
Dòng chảy này hình thành này do các yếu 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 thể xuất hiện với tốc độ pha lỏng vừa phải khi vận tốc khí rất thấp.
- Xuất hiện tại tất cả các độ dốc của dòng.
2.1.1.4 Dòng ch y dạng nút khí
Xuất hiện trong cả ống nằm ngang và ống thẳng 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, bị 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 bị vận chuyển và xử lý.
Dòng chảy này hình thành này do các yếu tố sau:
- Dòng chảy không liên tục, gồm những cục lỏng và những túi khí xen kẽ nhau.
- Có thể xem chế độ chảy này là sự kết hợp của dòng chảy phân tầng và dòng chảy bọt 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 tất cả các độ dốc.
- Cục chất lỏng có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng như ảnh hưởng tới chế độ vận hành của các thiết bị hạ nguồn, làm tăng ăn mòn….
2.1.1.5 Dòng ch y dạng bọt kéo dài
Có cấu trúc tương tự như dòng chảy dạng nút, nhưng các bọt khí bị tắc nghẽn một thời gian ngắn, vì vậy trở nên gián đoạn, những bọt khí nhỏ hơn và di chuyển chậm hơn so với dòng chảy dạng nút. Dòng chảy thường xuất hiện tại ống nằm ngang.
HVTH: Thập Minh Thư 27 2.1.1.6 Dòng ch y dạng khuấy
Ở dòng chảy dạng khuấy hay còn gọi là dòng chảy sủi 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 chất lỏng bao quanh nút khí sẽ không xuất hiện ở dòng chảy khuấy.