Đề tài Tối ưu hóa quá trình vận chuyển hỗn hợp dầu khí bằng đường ống ngầm dưới biển từ mỏ cá ngừ vàng đến giàn xử lý trung tâm số 3 của mỏ Bạch Hổ

c loại chất lỏng. Khi τo = 0, n =1 ta có mô hình Newton : . v y τ µ  ∂ =  ∂  Luận văn tốt nghiệp Lý thuyết dòng chảy đa pha trong đường ống ____________________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 22 Khi τo = const, n = 1 ta có mô hình Bingham : 0 .p v y τ τ µ  ∂ = +  ∂  Khi τo = 0, n < 1 ta có mô hình Ostwald : . n vk y τ  ∂ =  ∂  Khi τo = 0, n > 1 ta có mô hình Dilatant : . n vk y τ  ∂ =  ∂  - Mô hình chất lỏng nhớt dẻo Bingham (Birmingham plastic) Tất cả những quan hệ trong đó pha lỏng bị ràng buộc bởi một cấu trúc mạng chất rắn (mạng tinh thể paraffin trong dầu thô), hệ đó chỉ có khả năng chuyển động khi hệ thống mạng bị phá vỡ. Khi hệ thống mạng bị phá vỡ hoàn toàn, dòng chảy tuân theo quy luật của chất lỏng Newton thì hệ đó được gọi là chất lỏng nhớt dẻo Bingham. Các nghiên cứu mô hình lưu biến của dầu mỏ chứng minh rằng ở điều kiện nhiệt độ đông đặc, dòng chảy của dầu tuân theo mô hình Bingham. Sử dụng mô hình Bingham trong nghiên cứu dầu nhiều paraffin độ nhớt cao đã được trình bày trong các công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của Mirzanzadeh, Gubin. Phương trình lưu biến: ( ) 0 0 0 0 0 YP + PV. . 1p p v if yv with vy if y τ τ τ γ τ µ τ τ τ τ µ ∂ = >∂∂ = = + ∂∂  = − ≤ ∂ (2.30) Nếu 0τ τ≤ , lúc này chất lỏng không chảy, Nếu 0τ τ> , xuất hiện chảy nhớt. Trong đó,  YP : giới hạn chảy (yield point),  PV - μp : độ nhớt dẻo (plastic viscosity),  τo : ứng suất trượt tĩnh (ứng suất trượt tới hạn), (Pa). Luận văn tốt nghiệp Lý thuyết dòng chảy đa pha trong đường ống ____________________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 23 Ứng suất trượt tĩnh là giá trị mà áp lực tiếp tuyến phải thắng được để gây ra sự trượt giữa hai lớp lân cận, khởi sự quá trình phá hủy cấu trúc trong dầu tạo ra dòng chảy. τo phát sinh do quá trình tái tạo cấu trúc dầu ở trạng thái tĩnh có nhiệt độ thấp nên nó là hàm số của thời gian tĩnh (thời gian ngừng vận hành). Thời gian càng dài thì cấu trúc càng bền và τo càng tăng, kéo theo sự tăng của ứng suất trượt τ và do đó nó làm tăng áp suất khởi động đường ống. - Mô hình chất lỏng giả dẻo Ostwald (Pseudoplastic) Chất lỏng giả dẻo là những chất lỏng có độ nhớt giảm nhanh khi gradient vận tốc tăng. Hiện tượng giảm độ nhớt khác với chất lỏng Bingham, chất lỏng giả dẻo đã bắt đầu chảy khi giá trị của τ còn rất nhỏ. Sự phụ thuộc của ứng suất trượt τ vào vận tốc là đường cong đi qua gốc tọa độ và được biễu diễn bằng phương trình có dạng hàm số mũ. . 1 n vk with n y τ  ∂ = < ∂  (2.31) Trong đó,  k : chỉ số độ sệt, đặc trưng cho độ nhớt,  n : hệ số mũ, đặc trưng cho mức sai lệch với chất lỏng Newton. - Mô hình chất lỏng Dilatant Chất lỏng Dilatant là một loại chất lỏng có độ nhớt luôn luôn phụ thuộc vào giá trị của gradient vận tốc. Một chất lỏng được gọi là Dilatant khi chất lỏng đó có độ nhớt tăng khi giá trị gradient vận tốc tăng. Trong thực tế, chất lỏng Dilatant rất ít gặp. Nếu gặp thì người ta sẽ thay đổi thành phần của nó nhằm làm giảm tính chất Dilatant Phương trình đặc trưng cho chất lỏng Dilatan được biểu diễn: . 1 n vk with n y τ  ∂ = > ∂  (2.32) Luận văn tốt nghiệp Lý thuyết dòng chảy đa pha trong đường ống ____________________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 24 c. Tính chất phi Newton của dầu Cá Ngừ Vàng (CNV) Khi nhiệt độ thay đổi, tính chất lưu biến của dầu cũng thay đổi theo. Thực tế dầu thô ở mỏ CNV cho thấy, khi nhiệt độ của dầu lớn hơn 35oC thì dầu là chất lỏng Newton, còn khi nhiệt độ của dầu nhỏ hơn 35oC thì dầu CNV lúc này trở thành chất lỏng phi Newton, cụ thể là chất lỏng Bingham. Điều này có thể giải thích là do trong dầu thô CNV có chứa một hàm lượng paraffin khá cao nên nhiệt độ đông đặc của dầu cao. Khi nhiệt độ của dầu thấp thì cấu trúc của chất keo nhựa trở nên bền vững hơn dẫn đến độ nhớt của dầu cao, dầu sẽ trở nên đặc sánh hơn (nhớt - dẻo) thể hiện được tính chất của chất lỏng phi Newton. Ngược lại, khi nhiệt độ của dầu cao, các cấu trúc của paraffin bị phá vỡ, độ nhớt giảm, thể hiện được tính chất của chất lỏng Newton. 2.3.2. Nhiệt độ kết tinh Nhiệt độ kết tinh (WAT) là nhiệt độ mà tại đó các tinh thể paraffin bắt đầu xuất hiện hay còn gọi là điểm mù (CP). Tại nhiệt độ đưới điểm CP, các tinh thể bắt đầu tăng dần. Các tinh thể này có thể hình thành dưới dạng khối lỏng, những hạt nhỏ và di chuyển dọc theo đường ống cùng với sự di chuyển của chất lưu hoặc lắng đọng lại ở những bề mặt có nhiệt độ thấp. 2.3.3. Nhiệt độ đông đặc Nhiệt độ đông đặc của dầu là nhiệt độ mà tại đây dầu không còn khả năng di chuyển (không linh động nữa) hay nhiệt độ mà tại đây dầu bắt đầu chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Nhiệt độ của dầu phụ thuộc vào thành phần hydrocacbon, các chất keo nhựa. Hàm lượng paraffin, đặc biệt là các cấu tử nặng sẽ quyết định nhiệt độ đông đặc của dầu. Luận văn tốt nghiệp Lý thuyết dòng chảy đa pha trong đường ống ____________________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 25 2.3.4. Ảnh hưởng hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc đến các tính chất của chất lưu Chất làm giảm nhiệt độ đông đặc (PPD) là một cấu tử quan trọng sử dụng trong khai thác và vận chuyển dầu thô. Tùy thuộc vào thành phần và tính chất của dầu thô mà người ta đưa ra một PPD thích hợp nhằm đạt được hiệu quả tác dụng tối ưu. Việc nghiên cứu đưa ra chất làm giảm nhiệt độ đông đặc (PPD) cho dầu thô mỏ Cá Ngừ Vàng (CNV) nhằm đáp ứng yêu cầu đảm bảo dòng chảy trong quá trình khai thác và vận chuyển dầu. PPD cần có tác dụng ức chế quá trình kết tinh & phát triển tinh thể paraffin có trong dầu thô và qua đó cải thiện tính chất chảy của dầu thô. Thành phần và tỷ lệ các hợp chất hóa học có trong dầu thô ảnh hưởng đến hiệu quả tác dụng của PPD và vì thế đối với từng mẫu dầu cần nghiên cứu đưa ra loại PPD phù hợp. Thông thường PPD gồm 03 nhóm cấu tử chính: nhóm chất điều chỉnh tinh thể paraffin, nhóm chất phân tán paraffin và nhóm dung môi. Chất điều chỉnh thường là các hợp chất, các polime hoặc copolime như 2-hydroxy-naphtalene, polyethylene, copolyme ethylene-butene, copolime ethylene-vinylaxetate, copolime olefin-ester, polyacrylate, polymethacrylate, nhựa alkylphenol Các chất này cùng kết tinh với paraffin và ngăn cản sự phát triển tinh thể paraffin bằng cách làm cho các tinh thể paraffin có kích thước nhỏ dần. Chất phân tán paraffin là các chất hoạt động bề mặt có tác dụng hỗ trợ phân tán các tinh thể paraffin, làm giảm độ nhớt của dầu và ma sát giữa dầu và thành ống, chống sự kết tụ và phát triển tinh thể. Đó là các hợp chất như là asphaltene trong dầu thô, các hợp chất sunphonat, dẫn xuất của alkylphenol, ketone, terpene, polyamide, naphtalene Dung môi được sử dụng làm môi trường hòa tan/phân tán các chất điều chỉnh và phân tán paraffin. Việc sử dụng dung môi/hỗn hợp dung môi phụ thuộc vào các nghiên Luận văn tốt nghiệp Lý thuyết dòng chảy đa pha trong đường ống ____________________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 26 cứu để phù hợp với các thành phần của PPD. Một số công trình công bố chỉ ra rằng dung môi cũng có ảnh hưởng đến nhiệt độ đông đặc của dầu thô. Hình 2.7 – Các tinh thể paraffin trước (trái) và sau (phải) khi sử dụng hóa phẩm [16] Việc sử dụng một hay nhiều chất điều chỉnh tinh thể, chất phân tán và dung môi phụ thuộc vào tác dụng của chúng tới nhiệt độ đông đặc và tính chất chảy của dầu thô. Nhằm tìm ra loại PPD thù hợp nhất để sử dụng, các mẫu dầu thô CNV được tiến hành thu thập và thí nghiệm với các chất làm giảm nhiệt độ đông đặc khác nhau (Bảng 2.1) theo tiêu chuẩn ASTM D5853. Bảng 2.1 – Bảng liệt kê các chất PPD sử dụng cho việc sàng lọc Stt PPD 1 Baker's Sepaflux 2 EC5351A 3 EC6393A 4 EC6393B 5 EC6509A 6 EC6560A 7 VX7951 8 VX9788 9 VX9589 + 500ppm EC6508A 10 VX9590 + 500ppm EC6508A 11 VX9591 + 500ppm EC6508A Luận văn tốt nghiệp Lý thuyết dòng chảy đa pha trong đường ống ____________________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 27 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các chất làm giảm nhiệt độ đông đặc đến dầu thô CNV được trình bày ở hình 2.8. Hình 2.8 – Kết quả thí nghiệm các chất làm giảm nhiệt độ đông đặc khác nhau với các liều lượng khác nhau Quan sát đồ thị từ hình 2.8, các chất làm giảm nhiệt độ đông đặc sau khi được sàng lọc là Baker's Sepaflux, EC5351A, EC6509A, VX9591 + 500ppm EC6508A. Các kết quả này sẽ được tiếp tục sàng lọc cho tới khi tìm ra được chất PPD tốt nhất. Tiến hành sử dụng các chất Baker's Sepaflux, EC5351A, EC6509A, VX9591 + 500ppm EC6508A với liều lượng 1000ppm để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến độ nhớt động học và độ cản ban đầu đối với dầu thô CNV. Kết quả được biểu diễn ở hình 2.9, hình 2.10 và bảng 2.2 0 5 10 15 20 25 30 35 Baker's Sepaflux EC5351A EC6393A EC6393B EC6509A EC6560A VX7951 VX9788 VX9589 + 500ppm EC6508A VX9590 + 500ppm EC6508A VX9591 + 500ppm EC6508A Te m pe ra tu re (o C ) Pour Point Chemicals for manual screening 0ppm 500ppm 1000ppm 1250ppm 1500ppm Luận văn tốt nghiệp Lý thuyết dòng chảy đa pha trong đường ống ____________________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 28 Hình 2.9 – Ảnh hưởng của các chất PPD với liều lượng 1000ppm đến độ cản ban đầu Hình 2.10 – Ảnh hưởng của các chất PPD với liều lượng 1000ppm đến độ nhớt động học dầu của CNV Luận văn tốt nghiệp Lý thuyết dòng chảy đa pha trong đường ống ____________________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 29 Bảng 2.2 – Bảng kết quả đánh giá hiệu quả sử dụng các loại PPD khác nhau PPD Liều lượng Độ nhớt động học tại 15oC, [Pa] Độ cản ban đầu tại 15oC, [Pa] Blank - 1270 80 EC5351A 1000pm 227 30 EC6509A 1000pm 130 14 NES 320 - 155 + 500ppm EC6508A 1000pm 488 56 Baker's Sepaflux 1000pm 275 54 Qua quá trình sàng lọc các chất PPD, kết quả bảng 2.2 cho thấy rằng sản phẩm EC6509A được đánh giá tốt nhất trong số các sản phẩm trên, nó có thể làm nhiệt độ đông đặc của dầu thô CNV giảm từ 33oC xuống còn 18oC, bên cạnh đó, độ nhớt động học và độ cản ban đầu (Yield value) đối với dầu thô CNV khi xử lý bằng EC6509A đạt giá trị thấp hơn so với các sản phẩm khác. Luận văn tốt nghiệp Tối ưu hóa quá trình vận chuyển dầu khí ____________________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 30 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH NHIỆT THỦY ĐỘNG DÒNG CHẢY TRONG ĐƯỜNG ỐNG KẾT NỐI MỎ CÁ NGỪ VÀNG ĐẾN MỎ BẠCH HỔ VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN HỖN HỢP DẦU KHÍ 3.1. Tổng quan hệ thống kết nối mỏ Cá Ngừ Vàng – mỏ Bạch Hổ 3.1.1. Giới thiệu chung mỏ Cá Ngừ Vàng Mỏ Cá Ngừ Vàng (CNV) được phát hiện vào tháng 9 năm 2002, nằm ở lô 09.2 thuộc khu vực bồn trũng Cửu Long trên vùng biển Bình Thuận cách mỏ Bạch Hổ 17km về phía đông bắc với tọa độ φ = 090 50' 43,38 "N - 1800 09' 22,37" E, với độ sâu mực nước biền xấp xỉ 60m nước. Mỏ Cá Ngừ Vàng được điều hành bởi công ty liên doanh điều hành chung Hoàng Long – Hoàn Vũ JOCs, do xí nghiệp liên doanh Vietsovpetro vận hành và bảo dưỡng và được đưa vào khai thác từ ngày 25 tháng 7 năm 2008. ` Hình 3.1 – Sơ đồ vị trí mỏ Cá Ngừ Vàng [9] Luận văn tốt nghiệp Tối ưu hóa quá trình vận chuyển dầu khí ____________________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 31 Khu vực mỏ Cá Ngừ Vàng thường xuyên chịu ảnh hưởng trực tiếp của hai loại gió mùa rõ rệt : + Gió mùa Tây – Nam thịnh hành từ tháng 4 đến tháng 9 trong năm. + Gió mùa Đông - Bắc thịnh hành từ tháng 10 năm trước đến tháng 3 năm sau. Trong mùa gió chướng sức mạnh cấp 6, cấp 7, có lúc lên trên cấp 7, độ cao sóng từ 3 – 5m, nhiệt độ đáy biển thấp 20 – 21oC ảnh hưởng rất lớn đến quá trình khai thác và vận chuyển hỗn hợp dầu khí. 3.1.2. Hệ thống đường ống kết nối CNV – CPP3 Hình 3.2 – Sơ đồ vận chuyển dầu khí từ CNV WHP [9] Giàn đầu giếng Cá Ngừ Vàng (CNV WHP) được xây dựng trên phần trung tâm của mỏ cách đáy biển 55m và được kết nối với giàn công nghệ trung tâm số 3 (CPP-3) cách đáy biển 46,5m thuộc mỏ BH của xí nghiệp liên doanh dầu khí Vietsovpetro bằng hai tuyến ống ngầm với đường kính 10 inches (Bảng 3.1). Đây là tuyến ống ngầm khai thác với công dụng vận chuyển sản phẩm hydrocacbon từ mỏ CNV về giàn CPP-3 mỏ BH để xử lý. Sau đó, dầu thương phẩm sẽ được bơm đến các tàu chứa dầu FSO – 01 của Vietsopetro và phần khí sẽ được vận chuyển về bờ đến nhà máy Dinh Cố, tuyến Luận văn tốt nghiệp Tối ưu hóa quá trình vận chuyển dầu khí ____________________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 32 ống ngầm thứ hai là tuyến ống bơm ép với công dụng vận chuyển nước bơm ép từ giàn CPP-3 đến CNV WHP để bơm vào giếng duy trì áp suất vỉa. Khoảng cách từ giàn đầu giếng CNV WHP đến CPP-3 là 25km. Bảng 3.1 – Các đặc tính kỹ thuật của đường ống ngầm khai thác [9] Số TT Mô tả Thông số kỹ thuật 1 Đường kính ngoài (mm) 273.1 2 Chiều dày thành ống (mm) 20.10 3 Đường kính trong (mm) 232.9 4 Mác thép làm đường ống API 5L X65 5 Mác thép làm ống cong API 5L X65 6 Lực kéo tối đa của vật liệu làm ống SMYS (MPa) 448.27 7 Lực kéo tối đa của vật liệu làm ống cong SMYS (MPa) 448.27 8 Chiều dài thiết kế (m) 24,917 9 Chiều dài thực tế lắp đặt (m) 25,177 10 Lớp bọc cách nhiệt 41.9mm PU 11 Lớp bọc bê tông 53.5mm 12 Lớp bọc giữa các mối hàn 33mm PU 13 Lớp bọc của đoạn ống đứng 12.7mm 14 Thể tích mỗi m chiều dài ống (m3/m) 0.043 15 Dạng mặt bích liên kết 1500# RTJ 16 Áp suất vận hành tối đa 22.8 MPa 17 Áp suất thử thủy lực 34.1 MPa 18 Áp suất đầu vào đường ống (phía CNV WHP) 710 - 750 Psi 19 Áp suất đầu ra đường ống (phía CPP-3) 500 - 560 Psi 20 Nhiệt độ đầu vào đường ống 75oC 21 Nhiệt độ đầu ra đường ống 43oC 22 Công suất vận chuyển thiết kế 20,000 bbl/ngày 23 Lưu lượng vận chuyển thực tế 7,500 bbl/ngày Luận văn tốt nghiệp Tối ưu hóa quá trình vận chuyển dầu khí ____________________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 33 Giàn CNV WHP được thiết kế vận hành theo chế độ không có người ở trên giàn, được giám sát vận hành, điều khiển từ giàn công nghệ CPP-3. Số lượng thiết bị, phương tiện phục vụ sản xuất trên giàn được hạn chế tối đa để tiết kiệm chi phí xây dựng. Để vận hành khai thác mỏ CNV được hiệu quả, công ty Hoàn Vũ đã tự động hoá các thiết bị điều khiển, ứng dụng các phần mềm tiên tiến n