Đồ án Tính toán tổn hao áp suất trên tuyến ống từ RP2- Mỏ Rồng về giàn CNTT số 2 mỏ Bạch Hổ

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay đối với nhiều quốc gia, công nghiệp dầu khí đóng một vai trò hết sức quan trọng, có ảnh hưởng lớn đến nền kinh tế quốc dân. Ở Việt Nam, tập đoàn dầu khí quốc gia Việt Nam - trong đó xí nghiệp liên doanh Vietsovpetro đóng vai trò chủ đạo - là một thành phần quan trọng, hàng năm đóng góp đáng kể vào GDP toàn quốc. Công nghệ khai thác, thu gom và vận chuyển dầu khí tại các mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng của xí nghiệp đang được vận hành tốt tuy nhiên vẫn còn một số vấn đề cần được giải quyết. Điểm đặc trưng của dầu thô Việt Nam là có nhiệt độ đông đặc và hàm lượng parafin cao, điều này gây ảnh hưởng tới tốc độ dòng chảy, lưu lượng vận chuyển cũng như tăng chi phí cho quá trình bơm hút dầu. Sự lắng đọng parafin, sự có mặt đáng kể của chất gây mòn, hàm lượng nước và nhiều tạp chất cơ học gây ra hàng loạt các vấn đề liên quan đến quá trình vận hành và sự tồn tại của đường ống dẫn dầu. Xuất phát từ thực tiễn trên và được sự đồng ý của bộ môn em đã chọn đề tài “Tính toán tổn hao áp suất trên tuyến ống từ RP2- mỏ Rồng về giàn CNTT số 2 mỏ Bạch Hổ”. Đồ án gồm 4 chương: Chương 1: Dòng chảy của chất lưu trong ống ngang và nhiệm vụ tính toán công nghệ. Chương 2: Nhịp độ khai thác và tính chất dầu mỏ Rồng. Chương 3: Hệ thống ổn định nhiệt trong đường ống dẫn dầu khí. Chương 4: Tính toán tổn hao áp suất trên tuyến ống RP 2 đến CTP 2. Mặc dù đã hết sức cố gắng, nhưng do hạn chế về kiến thức và thực tế nên cuốn đồ án không tránh khỏi những thiếu sót về nội dung và hình thức, vì vậy, em rất mong nhận được sự góp ý từ thầy cô và các bạn. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn Thiết Bị Dầu Khí và hơn nữa là thầy Lê Đức Vinh đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành cuốn đồ án này. Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2010 CHƯƠNG 1 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU TRONG ỐNG NGANG VÀ NHIỆM VỤ TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ 1.1. Dòng chảy của chất lưu trong ống 1.1.1 Chất lỏng Newton Chất lỏng Newton là chất lỏng tuân theo định luật Newton. Dòng chảy của những chất lỏng tuân theo định luật Newton được biểu diễn bằng phương trình sau:
; [2, tr 79] (1-1) Trong đó:
: Ứng suất trượt do lực nhớt gây ra
: Độ nhớt động học.
: Gradien vận tốc theo phương r thẳng góc với hướng dòng chảy, S-1 F: Lực nhớt trên bề mặt giữa hai lớp chất lỏng, xác định theo công thức:
; (1-2) Với: S: Diện tích tiếp xúc giữa hai lớp chất lỏng trên đó xảy ra hiện tượng nội ma sát, (m2) Từ phương trình (1-1) ta thấy quan hệ giữa ứng suất trượt
và Gradien vận tốc
là quan hệ tuyến tính, đường cong chảy là đường thẳng, độ nhớt của chất lỏng Newton là hệ số góc của đường thẳng này, không phụ thuộc vào Gradien vận tốc, chỉ phụ thuộc vào loại chất lỏng, nhiệt độ và áp suất.
; (1-3) Mô hình dòng chảy chất lỏng Newton được mô tả bằng đường II1, hình 1.1(a) 1.1.2. Chất lỏng phi Newton Là chất lỏng có độ nhớt (
) phụ thuộc vào Gradien vận tốc (
) 1.1.2.1. Chất lỏng giả dẻo (mô hình Ostwald) Chất lỏng giả dẻo có dòng chảy không tuân theo phương trình của Newton, độ nhớt giảm nhanh khi Gradien vận tốc tăng, chất lỏng có khả năng chảy ngay cả khi ứng suất trượt rất nhỏ. Đường cong chảy (đường II2, hình 1.1a) của chất lỏng có xu hướng lồi về phía trục
. Chất lỏng có tính chất dị thường đó gọi là giả dẻo. Sự chảy của chất lỏng này tuân theo mô hình của Ostwald.
(1-4) Trong đó:
: Ứng suất trượt, (Pa).
: độ nhớt, (Pa.S).
: Gradien vận tốc , (S-1). n<1 : hệ số đặc trưng cho mức độ ổn định của chất lỏng. 1.1.2.2. Chất lỏng nhớt dẻo (mô hình Bingham) Chất lỏng nhớt dẻo là hệ số cấu trúc mà trong đó pha rắn có cấu trúc mạng tinh thể dày đặc (ví dụ như mạng tinh thể Parafin) chỉ có khả năng tạo dòng chảy sau khi mạng bị phá vỡ. Sự chảy của loại này bắt đầu sau khi tác dụng lên chúng một ứng suất trượt lớn hơn ứng suất giới hạn
và sau khi bị phá vỡ cấu trúc chất lỏng chảy theo định luật Newton. Những chất lỏng đó có tính nhớt – dẻo và dòng chảy tuân theo mô hình của Bingham.
; [2, tr81] (1-5) Mô hình Bingham được mô tả ở đường I1 (hình 1-1a) a) (b) Hình 1.1. Các dạng đường cong chảy (a) và sự phụ thuộc của độ nhớt vào Gradien vận tốc (b). II1: Chất lỏng Newton :
II2: Chất lỏng giả dẻo (mô hình Oswald):
, n<1 I1: Chất lỏng nhớt dẻo (mô hình Bingham):
I3, II3: Chất lỏng có độ nhớt tăng dần. I2. Chất lỏng có độ nhớt giảm dần. Các nghiên cứu mô hình lưu biến của dầu mỏ chứng minh rằng ở thấp hơn nhiệt độ đông đặc Parafin, dòng chảy của dầu tuân theo mô hình của Bingham. Sử dụng mô hình Bingham trong nghiên cứu dầu nhiều Parafin, độ nhớt cao đã được trình bày trong các công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của Mizadzanzade, Gubin. Mô hình tổng quát cho các loại chất lỏng:
(1.6) Khi
= 0, n =1 ta có mô hình Newton. Khi
=0, ta có mô hình Ostwald Mô hình Bingham khi n = 1 Qua nghiên cứu tính chất lưu biến của dầu thô ở mỏ Rồng và mỏ Bạch Hổ nhằm xác định vùng dị thường , độ nhớt là yếu tố quan trọng để xác định vùng mà ở đó dầu chuyển từ chất lỏng Newton sang chất lỏng phi Newton, đây là yếu tố chính gây tổn thất áp suất trong quá trình vận chuyển dầu khí. Ta thấy: Khi nhiệt độ lớn hơn 400C dầu là chất lỏng Newton, thấp hơn nhiệt độ này dầu biểu hiện tính phi Newton và khi nhiệt độ càng giảm, tính chất này thể hiện càng rõ. Ở 220C (nhiệt độ thấp hơn của nước biển ở vùng cận đáy khu vực mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng) ứng suất trượt đạt giá trị rất lớn. Bảng 1.1: Ảnh hưởng nhiệt độ đến thông số lưu biến của dầu mỏ Rồng. Nhiệt độ (T. 0C)  Ứng suất trượt (
=0. Pa)  Hệ số mũ, n   30  0,100  1,0000   28  0,265  0,8121   26  0,328  0,6789   24  1,050  0,5445   22  3,595  0,4867   Bảng 1.2. Ảnh hưởng nhiệt độ đến thông số lưu biến của dầu mỏ Bạch Hổ Nhiệt độ (T. 0C)  Ứng suất trượt (
=0. Pa)  Hệ số mũ, n   30  0,10  0,050   28  1,35  0,112   26  3,70  0,203   24  5,80  0,382   22  8,90  0,659   Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ nhớt có thể xác định bởi công thức tổng quát:
[5, tr.30] Trong đó:
,
là trị số của độ nhớt động lực ở các nhiệt độ t và t0,
là hệ số tỷ lệ, đối với dầu có trị số thay đổi trong khoảng 0,02 – 0,03. - Đối với dầu mỏ Rồng: + Ở điều kiện nhiệt độ lớn hơn 360C thì dầu mỏ Rồng là chất lỏng Newton, sự phụ thuộc giữa độ nhớt và nhiệt độ:
(1-6 a) + Ở điều kiện nhiệt độ dưới 350C thì dầu ở mỏ Rồng chuyển sang dạng nhớt dẻo (mô hình Bingham) sự phụ thuộc giữa độ nhớt dẻo và nhiệt độ: * Khi nhiệt độ 270C < T < 350C
(1-6 b) * Khi nhiệt độ 220C < T < 270C
(1-6 c) + Sự phụ thuộc giữa ứng suất trượt động và nhiệt độ: * Khi nhiệt độ 270C < T < 350C
= 1240.103.e(-0,473.T) (1-6d) * Khi nhiệt độ 220C < T < 270C
= e(7,0171-0,2194.T) (1-6e) + Sự phụ thuộc giữa ứng suất trượt tĩnh và nhiệt độ: * Khi nhiệt độ 270C < T < 350C
= 15,248.106.e(-0,5500.T) (1-6f) * Khi nhiệt độ 220C < T < 270C
= 6156,695.e(-0,2408.T) (1-6g) (Các công thức từ 1-6 a đến 1-6 g được xây dựng bằng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm tại xí nghiệp Vietsovpetro). Từ kết quả thu được đã xác định được dầu thô từ mỏ Rồng bắt đầu thể hiện dị thường áp suất ở nhiệt độ 350C -390C và tính chất lỏng nhớt – dẻo tuân theo mô hình Bingham. Những số liệu ở bảng 1.1 và bảng 1.2 cho thấy dầu mỏ của xí nghiệp liên doanh “Vietsovpetro” đang khai thác có độ nhớt và nhiệt độ đông đặc cao, đường ống dẫn dầu nội bộ giữa các giàn và giữa mỏ Rồng và mỏ Bạch Hổ được đặt dưới đáy biển, và không được bọc lớp cách nhiệt với môi trường xung quanh. Nhiệt độ trung bình của nước biển ở vùng đáy dao động trong khoảng 240C ÷ 260C, vận chuyển dầu trong những điều kiện như vậy có thể gây nên nguy cơ tắc đường ống do dầu bị đông đặc, bởi vậy trước khi vận chuyển dầu thô ta cần cải thiện tính lưu biến của nó để công việc vận chuyển được thuận lợi. Từ những kết quả nghiên cứu xử lý dầu bởi hóa phẩm kết hợp với xử lý nhiệt được tiến hành ở XNLD Vietsovpetro trên máy đo độ nhớt cho kết quả ở bảng 1.3. Bảng 1.3. Sự thay đổi độ nhớt của dầu ở mỏ Rồng nhờ xử lý nhiệt và hóa phẩm Sepaflux 3266 ở 800C. Nhiệt độ, độ 0C  Độ nhớt (mPa.S) theo hàm lượng hóa phẩm Sellswim 5X (g/t.dầu) ở nhiệt độ 800C    0  400  600  800   40  6  15  14  13   30  34  26  24  25   28  40  34  34  32   26  52  38  36  34   24  70  58  52  38   22  95  72  60  55   20  180  93  74  72   18  300  160  9  98   16  510  300  176  160   1.2. Dòng chảy hỗn hợp dầu khí trong ống nằm ngang. 1.2.1. Các kiểu cấu trúc dòng chảy của hỗn hợp dầu khí. Cấu trúc dòng chảy của hỗn hợp dầu – khí chuyển động theo đường ống nằm ngang rất đa dạng, phong phú. Trên cơ sở các khảo sát trực quan, các nhà nghiên cứu đã phân chia ra các dạng cấu trúc dòng chảy của hỗn hợp dầu – khí như sau: a. Dòng khí dạng bọt ( hình 1.2.a) Pha khí trong dòng chảy dạng bọt riêng biệt, được phân tán trong môi trường dày đặc của chất lỏng. Hàm lượng khí tăng cao ở phần trên của đường ống. Với vận tốc chuyển động cao, chế độ đồng dạng ít tạo thành, kích thước các bọt khí không thay đổi, không có va đập áp suất. b. Dòng chảy dạng nút ( hình 1.2.b) Các pha khí được hợp lại thành các nút riêng biệt hoặc tích lại ở phần trên của ống. Cấu trúc của dòng chảy dạng nút được trình bày rõ hơn trong phần 1.2.2. c. Dòng chảy phân lớp (hình 1.2.c) Các pha khí và lỏng phân chia hoàn toàn và chuyển động theo lớp: chất lỏng chảy theo phần dưới ống, khí phía trên. Ranh giới phân chia các pha nhẵn, không có va đập áp suất. d. Dòng chảy sóng phân lớp (hình 1.2.d) Pha lỏng và khí riêng biệt. Trên bề mặt của lớp chất lỏng, quan sát có sóng lớn. Chế độ như thế xuất hiện từ những dòng chảy phân lớp khi tăng vận tốc chuyển động của khí, có các va đập áp suất yếu nhưng tần số cao. e. Dòng chảy sóng với những lớp chắn (hình 1.2e) Được tạo thành khi tiếp tục tăng vận tốc chuyển động của khí, sóng cao đạt tới phần trên của ống. Chúng chuyển động với vận tốc lớn và làm ướt toàn bộ bề mặt của thành ống. f. Dòng chảy hình khuyên (hình 1.2f) Các màng chất lỏng có độ dày gần đều nhau bao lấy mặt trong của ống. Khí chuyển động theo phần giữa, trong đó có các hạt chất lỏng bị bao bọc, cấu trúc dòng chảy này xảy ra khi tỷ lệ khí vẫn cao, không có mạch đập, cấu trúc này thường gặp trong các đường ống dẫn khí ngưng tụ. g. Dòng chảy dạng tán xạ (hình 1.2g) Trên thành của ống có một lớp mỏng màng chất lỏng, các không gian còn lại là hỗn hợp khí đồng nhất và chất lỏng phân tán. Hình 1.2 :Các kiểu cấu trúc phụ thuộc vào tốc độ hỗn hợp và tỷ lệ khí. Để dễ hình dung về ranh giới chuyển đổi giữa các pha người ta xây dựng các dạng biểu đồ (hình 1.3). Đối với dòng chảy nằm ngang, biểu đồ cấu trúc các chế độ dòng chảy dựa theo: biểu đồ Baker (hình 1.3a) và biểu đồ cấu trúc theo hàm lượng khí và chỉ số Froude (hình 1.3b) được sử dụng rộng rãi. Trên trục tung (hình 1.3a) đặt hệ thức (G/
) trong đó: G: Tốc độ khối
: Hàm số phụ thuộc vào tỷ số giữa tỷ trọng pha, so với nước ở điều kiện tiêu chuẩn. Trên hoành độ là hàm số không thứ nguyên (L

/G) trong đó L: Lưu lượng chất lỏng.
: Tham số không thứ nguyên phụ thuộc vào giá trị sức căng bề mặt, độ nhớt động và tỷ trọng của pha lỏng. Một dạng biểu đồ khác thể hiện trên hình 1.3b, cấu trúc phụ thuộc vào tỷ lệ khí
và số Froude Hình 1.3: Biểu đồ Paker 1. Dòng chảy phân lớp 5. Dòng chảy dạng bọt 2. Dòng chảy sóng phân lớp 6. Dòng chảy hình khuyên 3. Dòng chảy dạng nút 7. Dòng chảy tán xạ (nhũ tương) 4. Dòng chảy tán xạ Tất cả các hình dạng cấu trúc chuyển động của hỗn hợp dạng lỏng – khí có thể được xác định qua hai thông số sau đây: Chuẩn số Froude:
; [2, tr 94] (1-7) Hàm lượng thể tích khí :
; (1-8) Trong đó:
(vận tốc trung bình của hỗn hợp) (1-9) D: Đường kính ống dẫn, mm.
: Lưu lượng của khí và chất lỏng.m3/s. Khi phân tích và tổng hợp số liệu thực nghiệm đã áp dụng cho chuyển động của hệ thống hydrocarbon trong đường ống, Baker đã chia ra làm 7 hình dạng dòng chảy khác nhau và đưa ra ở biểu đồ (hình 1.3) để xác định ranh giới tồn tại và thay đổi của chúng tùy thuộc vào các thông số đã nêu ở trên. Biểu đồ này thông thường dùng để tính toán đường ống dẫn. Khi hàm lượng khí trong hỗn hợp nhỏ, ta quan sát thấy chế độ chảy bọt 1 của dòng hai pha, chế độ này đặc trưng bởi chuyển động của khí ở dạng các bọt riêng rẽ nằm ở phần bên trên của tiết diện ống nằm ngang. Thực tế phần lớn kích thước các bọt đều như nhau, còn vận tốc của chúng thì bằng nhau hoặc nhỏ hơn vận tốc trung bình của hỗn hợp. Cấu trúc dòng chảy bọt thường bền vững khi hàm lượng khí nhỏ và giá trị Froude lớn. Khi tăng hàm lượng khí trong dòng chảy và giá trị Froude, các bọt khí kết tụ với nhau tạo thành nút khí có kiểu kích thước lớn và thậm chí còn tạo thành pha khí liên tục. Như vậy đã xảy ra quá trình chuyển đổi từ cấu trúc bọt thành dòng chảy phân lớp hai pha lỏng và khí. Dòng chảy phân lớp này được giữ nguyên cho tới khi hàm lượng khí đạt tới 0,98 và đồng thời số Froude tăng tới 9. Đặc điểm đặc trưng cho dòng chảy này là sự chênh lệch lớn giữa vận tốc các pha. Cấu trúc dòng chảy phân lớp chỉ thấy trong các đường ống dẫn nằm ngang và các đường ống dốc xuống, còn trong các đường ống nằm dốc lên thì không nhìn thấy dòng chảy phân lớp. Đối với dạng cấu trúc phân lớp của dòng chảy trong đường ống nằm ngang, vận tốc pha khí sẽ lớn hơn pha lỏng, còn trong đường ống dốc xuống thì ngược lại vận tốc pha lỏng sẽ lớn hơn vận tốc pha khí. Khi duy trì hàm lượng khí trong dòng chảy ở một mức độ nhất định và khi tăng vận tốc chuyển động của hỗn hợp, đối với dòng chảy phân lớp, trên bề mặt phân chia các pha sẽ xuất hiện các sóng và chế độ dòng chảy sẽ chuyển dần thành chế độ chảy sóng 3. Toàn bộ hệ thống sóng trên bề mặt phân pha có thể được chia thành ba nhóm tùy thuộc vào các tần số và biên độ: Các sóng nhiễu loạn, sóng gợn và sóng to. Các sóng nhiễu loạn có biên độ lớn nhất, chúng có thể che kín một phần hoặc toàn bộ tiết diện thực của dòng khí. Các sóng to và sóng gợn làm cho bề mặt phân pha gồ ghề và chúng xác định đặc tính tác động tương hỗ giữa các pha tại bề mặt phân pha. Khi tăng đồng thời hàm lượng khí trong hỗn hợp và vận tốc dòng chảy, chế độ chảy bọt sẽ chuyển thành chế độ chảy nút 4 (hình 1.3 và 1.4). Chế độ này đặc trưng bởi sự xen kẽ theo thứ tự giữa các nút khí và các nút chất lỏng. Khi tăng hàm lượng khí thì kích thước các nút khí sẽ tăng lên còn kích thước các nút chất lỏng sẽ giảm xuống. Khi tăng vận tốc hỗn hợp, tùy thuộc vào hàm lượng khí mà các nút khí và nút lỏng sẽ phân chia. Khi hàm lượng khí nhỏ (
) thì các nút khí sẽ bị phân hủy cùng với sự tạo thành một số lượng lớn các bọt, điều này sẽ chuyển tiếp chế độ cấu trúc nút thành chế độ cấu trúc nút nhũ tương đồng nhất hoặc là chế độ cấu trúc dòng chảy tán xạ. Chế độ nhũ tương 7 đặc trưng bởi sự phân chia đồng đều các bọt khí phân cách nhau bằng những màng chất lỏng mỏng trên thiết diện đường ỗng dẫn. Khi hàm lượng khí lớn hơn, các nút chất lỏng bị phân chia nhiều hơn và dẫn tới sự tạo thành hạt chất lỏng. Điều đó sẽ tạo điều kiện thay đổi cấu trúc dòng chảy từ cấu trúc nút thành cấu trúc phân tán hoặc sóng tán xạ 5. Cấu trúc nút phân tán đặc trưng cho sự chuyển động xung quanh của các nút khí phân cách nhau bởi các màng chất lỏng ngăn cách nhỏ. Lúc đó sẽ xảy ra hiện tượng làm giảm và tăng theo chu kỳ vận tốc dòng chảy và làm cho các nút khí bị phá ra rồi kết hợp với nhau. Khi số Froude (Fr) và lưu lượng khí lớn, hỗn hợp lỏng khí sẽ chuyển động ở chế độ màng – phân tán (dòng chảy hình khuyên) 6 (hình 1.3), lúc đó khí sẽ chuyển động trong phần tâm của dòng chảy còn chất lỏng sẽ chuyển động ở dạng màng trên thành ống và ở dạng phân tán trong dòng khí. Chế độ này không đặc trưng cho hệ thống thu gom đồng thời dầu và khí. Tồn tại ở hai dạng xung động chính: Xung động vi mô cao tần (biên độ nhỏ) và xung động vĩ mô (biên độ lớn) tần số thấp. Xung động vi mô cao tần liên quan tới cấu trúc chuyển động của dòng dầu khí, phụ thuộc vào vận tốc tần số nút đi qua, các tính chất vật lý của dầu khí. Người ta xác định được rằng, khi lực căng bề mặt tại ranh giới dầu – khí giảm thì biên độ xung động áp suất giảm đi, mật độ của khí tăng lên cũng làm giảm biên độ xung động và ngược lại khi tỷ trọng của chất lỏng tăng lên thì biên độ dao động lại tăng. Độ nhớt của chất lỏng hầu như không có ảnh hưởng tới biên độ xung động. Xung động vĩ mô tần số thấp xuất hiện khi có hiện tượng tích tụ chất lỏng trong ống dẫn và dòng khí đẩy chất lỏng này theo chu kỳ hoặc gây ra bởi các hiện tượng khác. Xung động vĩ mô có biên độ cực đại được quan sát thấy tại vùng cấu trúc nút phân tán của dòng chảy với các giá trị (
= 0,7 – 0,95) và Fr = 10 – 100. Khi tăng Fr hơn 100, biên độ xung động giảm xuống đột ngột là do các pha bị phá vỡ mạnh mẽ và cấu trúc của dòng chảy chuyển sang dạng nhũ tương hoặc màng phân tán. Trong thực tế dòng chảy dạng màng phân tán (khuyên, tán xạ) không tồn tại trong đường ống dẫn dầu thô. Cấu trúc này chỉ gặp khi vận chuyển khí béo hoặc khí thiên nhiên tại các mỏ khí ngưng tụ: hàm lượng khí rất cao (
>0,9) và lưu lượng chất lỏng không đáng kể. 1.2.2. Cấu trúc dòng chảy dạng nút. Trong 7 cấu trúc nêu trên thì cấu trúc dòng chảy dạng nút vừa phổ biến vừa phức tạp. Vì vậy, cấu trúc dòng chảy dạng nút luôn được quan tâm nghiên cứu kỹ lưỡng nhất. Những tập chất lỏng khí chuyển động liên tiếp nhau theo dòng chảy dạng nút trong ống dẫn. Một tập lỏng khí bao gồm (hình 1.4). Nút chất lỏng phủ đều theo tiết diện ống dẫn. Nút khí chiếm một phần tiết diện và phân bố giữa nút lỏng kế cận. Lớp chất lỏng bám sát thành ống và chuyển động dưới nút khí. Chiều dài nút chất lỏng và đặc biệt là nút khí thường lớn hơn đường kính ống nhiều lần. Trên cơ sở phân tích ảnh chụp ống dẫn trong suốt có chứa chất lỏng cùng các hạt tương ứng, người ta thu được sơ đồ cấu trúc dòng chảy dạng nút trong ống dẫn nằm ngang. Trên hình 1.4 mô tả một lớp lỏng khí chuyển động dọc đường ống từ trái qua phải với vận tốc u, dễ dàng nhận thấy rằng chuyển động của các nút trong chất lỏng trong lớp khí trên phần lớn chiều dài ống là cùng chiều. Nhưng ở đoạn đầu và cuối của nút lỏng xuất hiện những tuyến ngắn (tuyến trước và tuyến sau) của nút, ở đó có dòng chảy phức tạp. Trạng thái của các tuyến đó xác định sự tồn tại của dòng chảy dạng nút cũng như đặc điểm của nó. Dòng chảy dạng nút có thể hình dung là kết quả tương tác qua lại của các nhân tố, thành phần của lớp khí, lỏng. Trong ống dẫn nằm ngang, nút lỏng di chuyển dưới sự tác động chênh lệch áp suất trong các nút khí kế cận, và lực ma sát trên thành ống sẽ cản lại sự chuyển động đó. Chất lỏng tách ra từ các tuyến được chuyển qua tuyến trước vào nút lỏng và chảy qua tuyến sau. Hình 1.4: Sơ đồ một nút lỏng – khí trên ống nằm ngang 1: Lớp lỏng 2: Nút khí 3 và 5: Ranh giới vùng xoáy của tuyến sau và tuyến trước 4 và 6: Các vùng xoáy của tuyến trước và sau 7 và 9: Tuyến trước và tuyến sau của nút lỏng 8: Nút lỏng 10: Đường chuyển động của các phần chất lỏng ngoài vùng xoáy 11: Ranh giới khí lỏng 12: Thành ống Tại tuyến sau: Chất lỏng không phân bố đều theo tiết diện ống dẫn (như trong nút nói trên) mà tạo thành một lớp. Lớp chất lỏng và nút khí: Nút chất lỏng chuyển động về phía trước, để lại một lớp chất lỏng sau tuyến sau và trên lớp lỏng là nút khí. Tại tuyến trước: Cấu trúc tuyến trước tương tự như bước nhảy thủy lực, phần trước nó gồm có vùng chất lỏng chảy tới (dòng trung chuyển) và vùng chảy ngược. Ở tuyến trước, chất lỏng tạo nên dòng trung chuyển chảy từ lớp chất lỏng vào nút lỏng. (hình 1.4). 1.2.3. Xung đột áp suất trong ống hỗn hợp dầu khí và phương pháp hạn chế. 1.2.3.1. Xung đột áp suất trong vận chuyển hỗn hợp dầu khí Trong quá trình nghiên cứu và khai thác những hệ thống thu gom và vận chuyển hỗn hợp dầu khí bằng một đường ống, bên cạnh các ưu điểm còn xuất hiện hàng loạt nhược điểm. Một trong những nhược điểm đó là xung động, là một hiện tượng không thể tránh khỏi khi vận chuyển đồng thời trong đường ống hỗn hợp dầu khí. Nó trước hết liên quan đến quá trình chuyển động không đều của nhũ tương: dầu – nước – khí trong đường ống; là sự không ổn định của các giếng, các trạm bơm và do thay đổi hình dạng cấu trúc dòng chảy trong đường ống, tạo nên các nút khí dọc theo chiều dài đường ống, xung động phá vỡ quá trình hoạt động bình thường của các thiết bị đo, hệ thống thiết bị tự động và dẫn tới sự quá tải của các thiết bị trong hệ thống xử lý dầu. Trong một số trường hợp, chúng còn phá vỡ đường ống dầu và làm tổn hao dầu khí. Khi dầu và khí cùng được vận chuyển trong hệ thống thu gom bằng một đường ống dẫn khí thì sự chuyển động của dòng hai pha chất lỏng – khí khác một cách căn bản so với chuyển động của dòng chảy một pha và được đặc trưng bởi các hình dạng cấu trúc khác nhau. Cấu trúc dòng chảy của hỗn hợp chất lỏng – khí được hiểu như sự phân bố tương hỗ giữa các pha khí và lỏng trong quá trình cùng chuyển động trong ống. Sự hiện diện của hai pha không chỉ dẫn đến sự đa dạng của cấu trúc các dòng chảy mà còn làm thay đổi cấu trúc của nó. Khi hỗn hợp lỏng – khí chuyển động trong đường ống thì sự tác động tương hỗ giữa các pha tại ranh giới phân chia chất lỏng – khí và sự phân chia pha trên tiết diện dòng chảy sẽ có một ý nghĩa quyết định. Khác hẳn với dòng chảy một pha, ở đây, tại ranh giới về mặt nguyên lý còn xuất hiện những lực tương hỗ và lực tiếp xúc giữa các pha. Như vậy, nguyên nhân chính gây nên xung động ngẫu nhiên của dòng chảy là hiện tượng khí tách ra khỏi hỗn hợp khí lỏng trong đường ống và tạo nên những nút khí. Những nút khí này sẽ tăng dần theo chiều dài chuyển động của dòng chảy. Áp suất tuyệt đối trong hệ thống thu gom có ảnh hưởng tới xung động của dòng chảy dầu – khí. Áp suất này càng lớn thì khí tách ra càng ít và như vậy xung động càng nhỏ. Xung động áp suất được xác định bằng biên độ và tần số: A = Pmax - Pmin (1-10)
(1-11) Trong đó: A: Biên độ, nghĩa là hiệu số giữa giá trị cực đại và cực tiểu của áp suất tại điểm đang xét trên ống dẫn;
: Tần số dao động áp suất; T: Chu kỳ dao động áp suất. Sóng xung động của dòng dầu – khí – nước được truyền theo đường ống với vận tốc âm thanh. Năng lượng các xung động do tác động lẫn nhau giữa các dòng chảy và ống dẫn có thể làm cho đường ống, thiết bị và giá đỡ bị dao động. Tại đoạn đường ống thẳng, xung động của dòng dầu – khí được truyền đi theo chu vi ống, do vậy tại nơi đó đường ống dao động không đáng kể. Dao động của đường ống xuất hiện đáng kể khi có sự cộng hưởng, thậm chí khi có những lực nhỏ tạo ra bởi sự gồ ghề hoặc tiết diện hình ô van của đường ống (ví dụ khi có sự lắng đọng cát, muối, parafin …) và có thể xảy ra những dao động nguy hiểm. Những dao động do xung động của dòng hỗn hợp khí – dầu gây ra thể hiện rõ rệt tại những điểm mà hướng đường ống thay đổi đột ngột và những dao động đó cũng gây ra những phản lực đáng kể. Sự phân nhánh ống dẫn và các thiết bị liên quan tạo thuận lợi cho sự xuất hiện các dao động riêng của từng đoạn ống riêng rẽ, mà những dao động này rất gần với dao động cộng hưởng. 1.2.3.2. Các biện pháp hạn chế xung động. a, Lựa chọn áp suất vận chuyển: Để giảm và khử xung động áp suất, xung động khối lượng trong vận chuyển hỗn hợp dầu – khí, trên thế giới thường áp dụng phương pháp: Nâng áp suất vận chuyển lên cao. Khi nâng áp suất vận chuyển lên cao, khí bị nén lại, mặt khác lượng khí tách ra từ dầu giảm. Như vậy, hàm lượng khí trong dầu (ở điều kiện áp suất vận chuyển) giảm, dẫn đến những thay đổi cấu trúc dòng chảy và cuối cùng là xung động về áp suất và khối lượng giảm. Tuy nhiên, việc giảm áp suất vận chuyển đến giá trị nào là điều cần nghiên cứu. Khai thác – thu gom – xử lý dầu mỏ cũng như bất kỳ một hệ thống công nghệ liên hoàn nào khác, khi có tác động đủ mạnh vào một mắt xích của dây chuyền, sẽ kéo theo phản ứng tương thích trong toàn bộ hệ thống. Trong trường hợp đó sẽ chuyển sang chế độ làm việc với các thông số thay đổi tương ứng. Trong khai thác thu gom và vận chuyển hỗn hợp dầu - khí, sự biến đổi áp suất của hệ thống thu gom ở một trường hợp nào đó sẽ không ảnh hưởng đến lưu lượng của giếng. Áp suất phân chia giới hạn đó được gọi là áp suất tới hạn (Pcr) là lưu lượng của giếng ở điều kiện Pcr và dưới hoặc bằng Pcr là lưu lượng tới hạn (Qcr).
(1-12) Trong đó:
: Vận tốc tới hạn (m/s)
: Áp suất tới hạn (Pa)
: Mật độ hỗn hợp dầu – khí – nước trong điều kiện tới hạn (kg/m3)