- Tính toán kết quả:
TÍNH TOÁN TỔN THẤT ÁP TRONG QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN HỖN HỢP DẦU-KHÍ TỪ BK8 TỚI BK
5.1.1. Cấu trúc của dòng hỗn hợp khí lỏng
Trong quá trình vận chuyển hỗn hợp khí-lỏng bằng đường ống do có sự sắp xếp tương quan giữa pha lỏng và pha khí khi chuyển động nên đã tạo ra các hình dáng cấu trúc khác nhau của dòng chảy trong ống.
Các cấu trúc dòng chảy của hỗn hợp khí-lỏng thường gặp.
a.Cấu trúc bọt.
Khi hàm lượng khí thấp,các bọt khí riêng biệt phân tán ở phần trên của tiết diện ống ngang,kích thước các bọt đều nhau,chuyển động với tốc độ chất lỏng hoặc bé hơn,chế độ chảy không có va đập áp suất.Khi tăng tốc độ hỗn hợp,cấu trúc dòng vẫn được bảo toàn.
b.Cấu trúc phân lớp.
Khi tăng hàm lượng khí và tốc độ tăng ít,số Frc trong khoảng 0.5÷9,các bọt khí dính nhau thành bọt lớn và sau đó pha khí trở nên liên tục thành dòng phân lớp.Cấu trúc bọt được bảo toàn cho tới β≈0,98 và Frc=9.Đặc điểm của cấu trúc này là tốc độ 2 pha khác nhau và không có mạch đập.Cấu trúc này chỉ xuất hiện trong ông ngang và ống dốc xuống.
c.Cấu trúc dạng sóng.
Khi dữ nguyên hàm lượng khí và tăng tốc độ,trên phân lớp sẽ xuất hiện sóng,đỉnh sóng chưa chạm tới thành ống.Dòng chảy có va đập biên độ nhỏ và tần số cao.Cấu trúc đạt được khi β và Frc có giá trị cao cũng như giá trị thấp. d.Cấu trúc dạng nút.
Khi tăng đồng thời β và v thì cấu trúc bọt sẽ chuyển sang cấu trúc nút.Các nút khí được phân cách bởi các lớp chất lỏng.Khi tiếp tục tăng đồng thời β và v kích thước nút khí tăng lên còn kích thước lớp lỏng sẽ giảm.Biên độ mạch đập
ban đầu tăng lên sau đó sẽ giảm xuống.
e.Cấu trúc nút phân tán.
Tiếp tục tăng β nút sẽ chuyển thành sóng,trong đó có chứa bọt khí.Dòng chảy không đều,gián đoạn và các tích tụ khí hợp lại,mạch đập đạt giá trị cực đại.khi tăng v chiều cao sóng sẽ giảm,số lượng chất lỏng trong khí tăng lên,hàm lượng phân bố đều hơn trong tiết diện và va đập áp suất sẽ giảm.
f.Cấu trúc màng phân tán.
Khi tốc độ chuyển động lớn số Frc đạt 90÷900 hàm lượng khí cao 0,9÷0.98 dòng sẽ hinh thành cấu trúc màng phân tán.Chất lỏng được phân tán thành giọt nhỏ cùng chuyển động trong dong khí,phần còn lại dạng màng mỏng bám vào thành ống,phần dưới dày hơn phần trên cho nên còn gọi là cấu trúc vành khăn.Khi tăng Frc số lượng chất lỏng và mức độ phân tán của chúng tăng lên.Với số Frc cao thực tế toàn bộ chất lỏng biến thành bụi.Cấu truc này hoàn toàn không có mạch đập.
g.Cấu trúc nhũ tương.
Với số Frc cỡ trung bình 25÷100,và tăng dần β,cấu trúc bọt sẽ chuyển thành cấu trúc nhũ gồm nhiêu bọt khí được bao bởi các màng chất lỏng,các bọt khí phân bố đâu trong tiết diện.Dòng chảy có va đập biên độ thấp,tần số cao.
5.1.2.Tính toán thủy lực.
Từ các cấu trúc đã mô tả chúng ta có thể rút ra cấu trúc có thể quy về chất lỏng 1 pha.
Với dòng có cấu trúc dạng bọt có chứa hàm lượng khí thấp,chuyển động chậm bọt khí và chất lỏng cùng chuyển động với một tốc độ nên khi tính toán thường chấp nhận như môi trường lỏng đơn pha.Nghĩa là ở cấu trúc này chất lưu chuyển động theo ống như chất lỏng một pha.
Còn với cấu trúc vành khăn(màng phân tán)đặc trưng bởi hàm lượng khí cao tốc độ chuyển động lớn ta thường gặp khi vận chuyển khí tự nhiên ở các mỏ khí ngưng tụ hoặc xảy ra khi vận chuyển khí dầu còn nhiều thành phần nặng như Butan,Propan.Nói chung cấu trúc này ít gặp trong các mỏ dầu.
Ngoại trừ cấu trúc bọt,khi tính toán người ta chia các cấu trúc ra 3 cấp:nút,phân lớp và màng phân tán.Do chế độ phân lớp chỉ có trong ống ngang và ống xuống có độ nghiêng bộ nên thường phải phân biệt ranh giới chuyển tiếp từ phân lớp qua nút.Ta có thể quan sát trực tiếp từ các ống thủy tinh và xử ly các số liệu thực nghiệm xây dựng các đường cong theo hệ tọa độ
√Frc/Fro và β đặc trưng cho sự tương quan giữa các số Froude.
Từ đó ta có đường cong phân chia 2 vùng cấu trúc phân lớp và nút của dòng chảy,đường cong này được biểu thị bằng một phương trình thực nghiệm như sau: ;
Các số liệu thực nghiệm với hỗn hợp nước-không khí cho thây khi khi dòng có cấu trúc nút,khi sẽ có cấu trúc phân lớp và sóng. :Góc nghiêng của ống so với phương ngang.
:Hệ số sức kháng thủy lực,xác định theo công thức
)
:Tốc độ chảy không áp của chất lỏng trong ông dốc xuôi.
:Tổn hao áp suất trên chiều dài
Với ống dốc ngược thẳng đứng sẽ tồn tại ranh giới giữa chảy nút và phân tán.Ranh giới thu được bằng kết quả thực nghiệm cho hỗn hợp nước-không khí và dầu-không khí rồi xây dựng đường cong theo hệ tọa độ
và β
We:Là tiêu chuẩn Weber , :mật độ lỏng,khí
:Sức căng bề mặt của hệ thống lỏng-khí,N/m
Từ các chất lỏng có độ nhớt khác nhau ta thu được các đường cong ranh giới khác nhau.
b.Cấu trúc nút và nút phân tán
Thường dùng các phương trình cơ bản mô tả chuyển động của hỗn hợp như
sau: ;
:Tổng đại số sự chênh lệch địa hình trên tuyến;
:Mật độ hỗn hợp theo hàm lượng thể tích và hàm lượng khí thực tế.
Và
:hệ số sức cản thủy lực của hỗn hợp =
:hệ số sức kháng thủy lực kể đến sự chuyển động tương đối giữa các pha Với ống dốc xuôi:
Với ống nằm ngang và dốc ngược:
Kc:hệ số kể đến ảnh hưởng môi trường bão hòa khí tới chuyển động tương đối:
Ky:hệ số kể đến độ ổn định các bọt khí trong chất lỏng
:Hệ số hòa tan khí trong dầu,
Tuy nhiên việc xác định hệ số khi chuyển động của hỗn hợp dầu khí theo đường ống thường căn cứ vào sự tương quan giữa gradient áp suất hỗn hợp và gradient áp suất của chất lỏng 1 pha ở cùng một lưu lượng
Từ công thức tính λ cho chất lỏng một pha khi chảy rối trong các ống dốc và nằm ngang công thức Ansotun ta có:
Khi β<0.9: Khi β>0.9:
độ nhớt của khí và dầu bão hòa khí. :mật độ của khí và dầu bão hòa khí.
c.Cấu trúc phân lớp.
Xuất hiện ở dòng chảy ngang và dốc xuôi,để tránh việc xác định hàm lượng khí thực tế người ta dựng công thức:
:hệ số sức cản thủy lực của khí,xác định theo hệ số
:tốc độ hỗn hợp khí.
Nếu có giá trị hàm lượng khí thực thì dựng công thức Bernoulli: ;
:Đường kính thủy lực.
:Hàm lượng khí thực, :góc hợp với mặt phân chia dầu-khí.
:lưu lượng dầu bão hòa khí.
d.Xác định hàm lượng khí thực .
Do sự chuyển động tương đối nên ở cấu trúc phân lớp,nút,vành khăn lượng khí thực tế khác với hàm lượng khí β.Theo các nhà nghiên cứu là một hàm đa biến phụ thuộc vào Frc,hàm lượng β, ,sức căng bề mặt và đường kính ống. Kết quả nghiên cưu hỗn hợp không khí-nước cho thấy:
-Trong ống nằm ngang,bất luận β thế nào cũng có hàm lượng khí thực φ<β do khí chuyển động nhanh hơn lỏng,tuy cũng có một lớp khí rất mỏng trên cùng chuyển động chậm hơn.Khi Frc<4,quan hệ φ và β là tuyến tính còn hệ số tỷ lệ lại phụ thuộc vào Frc.Tuy nhiên khi Frc>4 thì φ chỉ phụ thuộc β.
-Trong các ống dốc xuôi,trọng lực làm tăng cường cấu trúc phân lớp cho dòng đồng thời làm tăng tốc độ chất lỏng cho nên khí chuyển động chậm hơn và luôn có φ>β.Khi tốc độ tăng đến một giới hạn nào đó thì lực quán tính sẽ vượt trọng lực và cấu trúc lớp chuyển qua cấu trúc nút.
-Trong các ống dốc ngược ta luôn có φ<β vì lúc này trọng lực cản trở chuyển động của chất lỏng.Góc θ càng tăng thì giá trị φ giảm và đạt giá trị cực tiểu ở
góc rồi sau đó lại tăng lên.Điều đó được giải thích rằng khi θ bộ và chảy chậm phần lớn chất lỏng phân bố dọc theo đường sinh phía dưới có đường dẫn cho khí vượt qua.Khi tăng góc nghiêng chất lỏng có xu hướng phân bố đều hơn trong tiết diện khả năng khí vượt trước sẽ khó khăn hơn.Với tốc độ chuyển động cao chất lỏng và khí có xu hướng phân bố đều theo tiết diện ảnh hưởng của góc nghiêng φ không đáng kể.
-Khi tính chất của hỗn hợp khác với nước-không khí ,nghĩa là σ>0.072
N/m thì phải lưu ý đến chỉ tiêu We.Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy khi Frc>10 thì vai trò của We trở nên rất bộ và khi Frc >100 thì φ độc lập với We. Các thí nghiệm cũng cho thấy khi D>0.015m thì φ không còn bị chi phối bởi D.Lúc đó ta có thể dựng các công thức thực nghiệm từ hỗn hợp không khí- nước.
Với ống ngang,chảy nút Frc>4 φ=0.81β
Với ống đứng hoặc dốc ngược,chảy nút
Ở Nga để xác định hàm lượng khí thực khi chảy nút người ta thường dùng công thức Gurov.
Với ống dốc ngược:
Với ống dốc xuôi,chảy nút: :mật độ dầu
5.2.Tính tổn thất áp suất cho tuyến ống vận chuyển hỗn hợp dầu khí từ giàn BK8 tới giàn BK4.
5.2.1.Sơ qua về giàn BK8.
Giàn BK8 thuộc sở hữu của xí nghiệp liên doanh Vietsovpetro hiện đang khai thác ở vòm nam của mỏ Bạch Hổ.Trên giàn có tất cả 12 giếng trong đó có 3 giếng bơm ép nước,7 giếng khai thác bằng phương pháp gaslift,1 giếng khai thác tự phun,1 giếng đã cạn và hiện đang được khoan thêm bằng giàn Tam Đảo 03 của liên doanh Vietsovpetro.
Tổ chức nhân sự trên giàn gồm có 4 người trong đó gồm 1 đốc công,1 thợ điện,1 thợ khai thác và 1 người phục vụ ăn uống.
+ Một số thiết bị công nghệ được trang bị trên giàn:
Hiện nay trên BK8 được trang bị 1 bình tách sơ cấp V400,1 bình tách-đo V100,1 bình xả V200,1 máy bơm và bể chứa dầu V300.
1.Bình tách V400:
Do Singapo sản xuất vào năm 2002 và được lắp đặt trên giàn vào ngày 29/5/2012.Đây là bình tách sơ cấp dựng để tách khí ra khỏi dầu.Bình có dung tích 25m ,dài 7315mm,dày 38mm,Đường kính 2057mm.Áp suất và nhiệt độ thử lớn nhất của bình lần lượt là 58,5Bar và 120 C
2.Bình tách-đo V100:
Nhiệm vụ chính của bình là tiến hành việc tách-đo lưu lượng dầu và khí ở trên giàn. Thông số của bình V100: Dài:4572mm Dày:38mm Đường kính:1820mm Thể tích:12.68 m
Áp suất làm việc lớn nhất:45at Áp suất thử lớn nhất:57at Nhiệt độ làm việc:125 C
3.Bình xả V200:
Bình này luôn được sử dụng để xả sự cố.Van an toàn đặt ở 45at.Nếu như có sự cố hoặc áp suất làm việc trong hệ thống vượt quá 45at thì sản phẩm sẽ về bình V200.Tại đây khí tách ra sẽ được xả ra môi trường còn dầu sẽ về bể chứa dầu V300 sau đó dựng máy bơm để bơm chuyển sang BK4.
Thông số của bình. Nhiệt độ làm việc:125°C Dài: 4877mm Dày:16mm Đường kính: 1820mm Thể tích:14m³ Áp suất thử:20at Áp suất làm việc:16at 5.2.2.Tính toán tổn thất áp suất.
Toàn bộ sản phẩm khai thác được từ giàn BK8 sẽ được vận chuyển bằng đường ống tới giàn BK4 rồi tới giàn CNTT số 3.
Hiện nay trên BK8 không thực hiện tách sơ cấp mà chỉ thực hiện việc tách-đo toàn bộ chất lưu khai thác được bằng bình tách-đo V100.Thêm vào đó phần lớn các giếng đang khai thác trên giàn là sử dụng phương pháp Gaslift (7/8 giếng đang khai thác) nên hàm lượng khí trong sản phẩm là rất lớn.
Sau đây là phần tính toán tổn thất áp lực cho tuyến ống từ giàn BK8 sang BK4.
Các thông số cần thiết phục vụ cho việc tính toán: +Chiều dài tuyến ống:2950m
+Đường kính(ngoài):324mm +Chiều dày:16mm
+Lưu lượng dầu:2140m³/ngày +Lưu lượng khí:170453m³/ngày
+Nhiệt độ dầu:63°C +Mật độ dầu:843(kg/ m³) +Mật độ khí:1,12(kg/ m³)
Vận tốc trung bình của hỗn hợp : Áp dụng công thức:
Lưu lượng dầu: =0,0248m³/s Lưu lượng khí: =1,9728m³/s
Tiết diện ống: S=π.(324-2.16)²/4 = 66966mm²=0,067m². Suy ra:
Chỉ số Froude: Hàm lượng khí:
Từ kết quả β và Frc tính toán ở trên cho ta thấy cấu trúc dòng chảy trong ống là cấu trúc vành khăn(màng phân tán) với hàm lượng khí rất cao gần như chiếm toàn bộ không gian trong ống.Chất lỏng một phần biến thành bụi chuyển động cùng với dũng khí phần còn lại tồn tại ở dạng màng rất mỏng bám vào thành ống.Do vậy để việc tính toán trở nên thuận tiện hơn ta có thể áp dụng các lý thuyết tính toán như đối với ống dẫn khí 1 pha.
+Yếu tố nén: Z=0,9
Lưu lượng khí:1,9728 m3/s
Nhiệt độ trung bình của khí : Ttb = 273 + 63 = 336 0K Độ nhớt động lực của khí : μg = 1,25.10-5 Pa.s
Áp suất đầu vào : P1 = 24at = 2431,8 kPa + Tính lưu lượng khí trong điều kiện ống :
D : đường kính trong của ống : D= 0,324- 0,016.2 = 0,292 m +Độ nhám của ống e=0,2mm=0,0002m => Hệ số Raynold : Tìm vùng thủy lực Re1 = Re2 =
Ta thấy Re1 < Re < Re2 => chế độ chảy của khí trong ống thuộc vùng chuyển tiếp.
+Để tính hệ số sức kháng thủy lực λ , ta dựng công thức antơsun :
Độ nhám tương đương: K =e/D=0,0002/0,292=6,85.10 Thay vào công thức ta tính được : λ = 0,025
+ Tính áp suất đầu ra P2 và tổn hao áp suất trên đường ống ΔP : Áp dụng công thức tính lưu lượng khí qua ống ở điều kiện chuẩn: Q = 387.10-4.D5/2.
Đặt a = 387.10-4.D5/2. => Q = a.
λ= 0,025 ; Z = 0,9 ; T = 336 0K ; L = 2950 m ; Δ = = ; D = 0,292 m.
Thay vào ta tính được a = 1,23.10
Q = a. => P2 = P1 = 24 at = 2431800 N/m ; Q = 1,9728 m3/s Thay vào ta có
(N/m )=23,88(at) Vậy tổn hao áp suất là : ΔP = P1 – P2 = 24 – 23,88 = 0,12 at =12000 Pa.