Tải bản đầy đủ
CHƯƠNG V: HỆ THỐNG THIẾT BỊ VÀ NGUYÊN LÝVẬN HÀNH KHAI THÁC DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP GASLIFT LIÊN TỤC

CHƯƠNG V: HỆ THỐNG THIẾT BỊ VÀ NGUYÊN LÝVẬN HÀNH KHAI THÁC DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP GASLIFT LIÊN TỤC

Tải bản đầy đủ

88

sát hay sưa chữa giếng. Phễu định hướng được thiết kế với đầu vào có dạng phễu
hình côn và đường kính trong không làm giảm đường kính cột ống nâng.
5.1.2. Nhippen.
Bộ phận này được lắp ở dưới ống đục lỗ. Nhippen có tác dụng để đặt
các thiết bị đo sâu trong quá trình khảo sát giếng, ngoài ra nó có tác dụng để
đặt các loại van tùy theo mục đích của quá trình khai thác. Như vậy tác dụng
chính của nó là để khóa giữ và liên kết các thiết bị trong ống nâng.

5.1.3. Ống đục lỗ.
Ống đục lỗ có nhiệm vụ cho phép dòng sản phẩm chảy liên tục vào cột
ống nâng trong quá trình khi tiến hành các quy trình công nghệ như khảo sát
giếng bằng kỹ thuật tời ở phần trên phía dưới sâu của nó. Ống đục lỗ được
thiết kế tối ưu nhằm giảm tối thiểu tổn hao năng lượng của dòng sản phẩm
chảy qua các lỗ và đường kính trong không nhỏ hơn so với đường kính trong
của cột ống nâng tại điểm nối, ống này được nắp ngay sau phễu định hướng
và nhippen để đặt thiết bị đo sâu. Ống có chiều dài ≥ 3m, đục nhiều lỗ ≥ 8 lỗ
cho phép chất lỏng đi qua dễ dàng.
5.1.4. Van cắt.
Van cắt nằm phía trên ống đục lỗ, nó có chức năng để mở paker vào
trạng thái làm việc.
Bên trong van được lắp đặt một viên bi và được giữ bởi các chốt, vòng lót,
vòng trượt để giữ bi. Van được sử dụng để bịt kín ống khai thác nhờ viên bi
thả từ trên mặt đất xuống. Sau khi paker được mở và đưa về trạng thái làm
việc thì tác động một lực lớn lên van cắt sâu để làm đứt các chốt giữ bi, khi đó
viên bi sẽ rơi xuống đáy giếng và cột ống khai thác được thông. Áp lực sử
dụng để cắt bỏ van phải được tính toán sao cho lớn hơn áp lực mở paker,
nhưng giá trị này không được vượt quá giới hạn cho phép của van, vì nếu quá
lớn nó sẽ phá hỏng paker.

1-viên bi.
2-chốt giữ.
3-thép đàn hồi.

89

Hình 5.1- Sơ đồ van cắt.
5.1.5. Paker.
Hiện nay tại mỏ Bạch Hổ paker được sử dụng ở hầu hết các giếng. Có thể
nói paker là một trong những bộ phận cơ bản quan trọng của thiết bị lòng giếng.
Paker có thể phân chia thành các loại sau:

∗ Theo cách lắp đặt chia làm 2 loại:
- Paker cơ học
- Paker thuỷ lực: gồm 2 loại
+ Loại 1: là loại paker được mở bằng lực bơm ép trong cần.
+ Loại 2: là loại paker được mở bằng áp lực thuỷ tĩnh ngoài cần.

∗ Theo tính chất đặc trưng chia làm 4 loại
- Paper thu hồi .
- Paker cố định .
- Paker thu hồi và cố định .
- Paker trương phồng .
Nhiệm vụ của paker:
- Cách ly các tầng sản phẩm với nhau.
- Cách ly chất lỏng bên trong và bên ngoài ống khai thác. Việc cách ly
nhằm mục đích:
+ Giảm áp lực lên thiết bị miệng giếng, đảm bảo an toàn cho con người
và thiết bị trước hiện tượng phun và xuất hiện khí độc.
+ Tránh hiện tượng hư hỏng cột ống chống dẫn đến tăng độ bền cột ống
chống, chống hiện tượng rò rỉ do vậy bảo toàn năng lượng vỉa.
+ Góp phần cải thiện điều kiện dòng chảy.
- Cùng với van tuần hoàn paker góp phần thực hiện phương pháp tuần
hoàn ngược để rửa giếng, dập giếng và gọi dòng sản phẩm.
- Có tác dụng treo giữ đầu dưới của cột ống nâng với cột ống chống khai thác.
Cấu tạo và hoạt động của paker:
∗ Cấu tạo: Gồm 3 bộ phận cơ bản
+ Bộ phận trượt (slip) được chế tạo bằng kim loại .
+ Bộ phận nở để bịt kín được chế tạo bằng vật liệu chịu nhiệt độ và áp
suất cao, bộ phận này thường làm bằng cao su có tính đàn hồi cao.

90

+ Ngoài ra paker còn có các bộ phận khác như các chốt, vít sắt, piston,
các vòng lót.
Hiện nay ở mỏ Bạch Hổ hầu hết sử dụng loại paker điều khiển bằng thuỷ
lực. Số paker dùng trong giếng lớn nhất là 2, do điều kiện địa chất, số tầng
sản phẩm và yêu cầu công nghệ của một số giếng trong mỏ.

∗ Nguyên lý hoạt động:
+ Paker được thả tới vị trí cần lắp. Người ta sử dụng van cắt hoặc van
ngược để mở paker. Trước khi bơm ép tạo áp suất, người ta thả viên bi xuống
van cắt.
+ Khi tăng áp lực qua đường thuỷ lực, bộ phận slip trượt xuống và ép bộ
phận mở paker. Paker được mở ra và ép chặt vào thành ống chống. Bộ phận
trượt được giữ lại bằng một cạnh gờ và giữ cho bộ phận nở luôn luôn bị ép và
mở khi áp suất giảm.
+ Khi cần tháo bỏ Paker, người ta tác dụng một lực lớn (được tính toán
trước khi lắp đặt paker) để cắt chốt bám vào gờ nói trên. Khi đó bộ phận nở
thu lại, ta có thể kéo paker lên.
1.tấm cao su
2.xilanh (vỏ ngoài)
3.gioăng cao su
4.piston
5.chấu đứng
6.chốt đóng
7.chấu (bám ống)
8.vòng cắt
9.vỏ ngoài
10.thân ống HKT
Hình 5.2- Sơ đồ paker loại 1.
5.1.6. Thiết bị bù trừ nhiệt.
Trong điều kiện khai thác ở mỏ Bạch Hổ, dầu được khai thác ở những
giếng có độ sâu lớn, do đó nhiệt độ và áp suất ở đáy giếng tương đối cao. Do
sự biến đổi nhiệt độ và áp suất làm cho ống nâng giãn dài ra rất nhiều, dẫn
đến làm cong, méo, xoắn ống. Để khắc phục hiện tượng này người ta lắp đặt

91

thêm thiết bị bù trừ nhiệt dùng để cân bằng, bù trừ sự thay đổi chiều dài ống
nâng khai thác do tác dụng của nhiệt độ và áp suất cao thay đổi trong quá
trình khai thác.
∗Nguyên lý làm việc:
Khi thả cột ống khai thác vào giếng khai thác thì lõi và vỏ của nó được
liên kết với nhau nhờ một chốt nối. Sau khi đã thả đến vị trí tính toán và sau
khi đưa paker vào làm việc thì lúc đó bằng phương pháp cơ học hay thuỷ lực
người ta cắt chốt để giải phóng mối liên kết này. Khi có nhiệt độ và áp suất
thay đổi, chiều dài từ cột ống từ paker đến miệng giếng bị co lại hoặc giãn ra.
Sự co giãn này được bù trừ nhờ sự di chuyển của lõi và vỏ.

1.vỏ nối với ống trên
2.bộ cao su
3.chốt - vòng hãm
4.lõi nối với ống dưới

Hình 5.3- Sơ đồ thiết bị bù trừ nhiệt.
5.1.7. Van tuần hoàn.
∗Chức năng:
Van tuần hoàn có nhiệm vụ đóng hoặc mở cửa sổ liên thông giữa bên
trong và bên ngoài ống nâng trong các trường hợp rửa giếng, dập giếng và gọi
dòng sản phẩm. Ngoài ra van tuần hoàn còn được sử dụng như một nơi chứa
các thiết bị phụ hồi kế tiếp như bơm ly tâm, các lỗ van dùng để cho dòng sản
phẩm đi qua và nâng chất lỏng từ một tầng sản phẩm (đối với giếng khai thác
ở nhiều tầng sản phẩm).
Thường trên thiết bị lòng giếng người ta bố trí 2 van tuần hoàn, tuỳ mục
đích sử dụng mà dùng từng van. Việc đóng mở van là nhờ dụng cụ cáp tời.
Van tuần hoàn đặc biệt có ích trong các hoạt động sau:
+ Gọi dòng sản phẩm bằng cách thay đổi tỷ trọng dung dịch.
+ Dập giếng để tiến hành sửa chữa, kéo cần khai thác.
+ Tuần hoàn dung dịch bằng nước biển.

92

+ Kiểm tra van an toan sâu.
∗Van tuần hoàn thường có 2 loại sau :
- Van tuần hoàn có lõi không kéo lên được:
+ Ưu điểm: kích thước bên trong của van lớn dẫn đến giảm tổn thất thủy lực.
+ Nhược điểm: khi hỏng phải kéo toàn bộ ống khai thác lên mặt đất để sửa chữa.
- Van tuần hoàn có lõi kéo lên được:
+ Ưu điểm: khi hỏng có thể kéo lõi lên mặt đất để sửa chữa mà không
cần kéo cột ống khai thác.
+ Nhược điểm: Đường kính của lõi bị thu hẹp, làm tăng tổn thất thủy lực
và hạn chế dòng chảy.

1.Lõi
2.Cao su
3.Lỗ tuần hoàn
4.Khoá hãm

a.Van có lõi cố định

1. Lõi
2. Cao su
3. Lỗ tuần hoàn
4. Khoá hãm

b.Van có lõi kéo lên được
Hình 5.4- Sơ đồ van tuần hoàn.
5.1.8. Mandrel.
Mandrel có dạng khửu hình ôvan lệch hẳn so với đường tâm của ống
khai thác. Vì vậy nó sử dụng để đặt van Gaslift, van điều khiển, van bơm ép

93

hóa chất hay van tiết lưu mà không ảnh hưởng đến tiết diện bên trong ống
nâng và cho phép các thiết bị tời đi qua dễ dàng.
Trong trường hợp giếng không phải lắp đặt các van thì người ta có thể sử
dụng các van giả đặt trong nó nhằm bịt kín lỗ thông của Mandrel giữa ống
khai thác và ống chống khai thác. Trong một cột ống khai thác người ta có thể
lắp một hoặc nhiều mandrel.
5.1.9. Van an toàn sâu.
Là bộ phận không thể thiếu trong các giếng khai thác dầu khí ( đặc biệt là
các giếng tự phun có áp suất lớn). Nó được lắp đặt ở vị trí trên cùng của thiết bị
lòng giếng. Ở mỏ Bạch Hổ, van thường cách đáy giếng hơn 30m để đảm bảo an
toàn trong quá trình khai thác. Van an toàn sâu có nhiệm vụ đóng giếng trong các
trường hợp sau:
+ Khi áp suất và tốc độ dòng sản phẩm vượt quá giới hạn thiết kế ban đầu.
+Khi có báo động khẩn cấp (hỏa hoạn, xuất hiện khí độc…)
Khi lắp các van an toàn sâu người ta phải thử áp suất đóng, mở van và lắp
van an toàn sâu vào nhippen khi giếng đã làm việc ổn định. Van an toàn sâu có
thể đóng mở bằng trạm điều khiển thủy lực TKS ở trên mặt đất.

∗ Van an toàn sâu điều khiển bằng dòng chảy:
- Đặc điểm: Van được lắp sâu trong lòng giếng, dưới paker; Van này tự
động đóng mở khi tốc độ dòng chảy thay đổi so với thiết kế ban đầu.
- Nhược điểm: Thiết kế và bảo dưỡng phức tạp, tốn kém; hạn chế lưu
lượng dòng chảy, thiếu an toàn.

∗ Van an toàn sâu điều khiển trên mặt đất:
- Đặc điểm: Van được đóng mở nhờ dòng chất lưu có áp suất cao được
bơm từ trên mặt đất xuống theo đường ống riêng. Chiều sâu đặt van từ 120180m cách thiết bị miệng giếng.
5.1.10. Van gaslift.
Van Gaslift là thiết bị chính trong khai thác bằng phương pháp Gaslift.
Van Gaslift ngày càng được cải tiến và hiện đại hóa. Có thể tóm tắt qua 3 thế
hệ sau:
- Thế hệ 1: Là thế hệ cổ điển, van Gaslift được nối với ống khai thác
bằng ren. Do đó nếu hỏng hóc thì phải kéo cả ống khai thác lên, dẫn đến chi

94

phí cao, khó sửa chữa và không thao tác được thiết bị lòng giếng bằng kỹ
thuật cáp tời.
- Thế hệ 2: Van được đặt ngoài ống khai thác, tuy nhiên khi thay vẫn phải
kéo cả ống khai thác lên.
- Thế hệ 3: Van được cải tiến hơn, đặt trong mandrel, do đó quá trình
thay van và sửa chữa được thực hiện bằng dụng cụ cáp tời.
Tại xí nghiệp liên doanh Vietsovpetro mỗi giếng khai thác Gaslift có
khoảng 6-7 Mandrel, mỗi Mandrel chứa 1 van BKT-1. Các van Gaslift mở
dưới tác dụng của khí nén, được đóng nhờ áp suất khí N2 nạp trong buồng khí
gọi là Siphôn. Mandrel cuối cùng chứa van làm việc DKO-2 loại 1, vì không
có buồng khí nên van luôn mở.
Van khởi động hay van làm việc đều có van ngược và đường kính côn
tiết lưu từ 1/8- 3/8”. Các van đều có khóa trên hoặc khóa dưới có tác dụng
định vị van đúng vị trí. Do đó van được thu hồi khi có tác dụng thích hợp để
làm đứt các chốt định vị của khóa.
a. Chức năng và phân loại van Gaslift:
Chức năng:
- Tự động đóng mở để cách ly hoặc khai thông vùng không gian bên
ngoài và bên trong ống nâng.
- Giảm áp suất khởi động, do vậy tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của
thiết bị nén khí (cùng công suất máy nén khí, chiều sâu khí nén vào ống nâng
tăng lên).
Phân loại van Gaslift:
Phụ thuộc vào chế độ khai thác, chức năng sử dụng, nguyên lý hoạt
động, cấu trúc hay nguyên lý lắp đặt, van Gaslift có thể phân loại như sau:
* Theo chức năng: Van gaslift khởi động hoặc làm việc.
+ Van Gaslift khởi động: van Gaslift khởi động dùng để tăng độ sâu dẫn
khí vào cột ống nâng bằng cách lần lượt khí hoá cột chất lỏng bắt đầu từ van
trên cùng. Các van Gaslift khởi động sẽ lần lượt đóng cho đến khi khí đi vào
các van Gaslift làm việc. Sau khi đưa giếng vào hoạt động ổn định các van
khởi động này đều phải đóng kín. Các van này có thể dùng cho cả giếng khai
thác liên tục và giếng khai thác theo chế độ định kỳ.

95

+ Van Gaslift làm việc: Dùng dẫn khí vào cột ống nâng và duy trì khí hoá
cột chất lỏng liên tục. Phụ thuộc vào độ chênh lệch áp suất của khí nén và của
cột chất lỏng tại nơi đặt van mà van Gaslift làm việc có thể tự điều chỉnh
lượng khí nén theo yêu cầu.
* Theo nguyên lý hoạt động của van:
Van điều khiển bằng áp suất, độ chênh áp hay cơ học.
+ Van Gaslift điều khiển bằng áp suất : Van Gaslift điều khiển bằng áp
suất có quá trình đóng mở van được điều khiển bằng áp suất của khí nén hay
của cột chất lỏng khai thác.
+ Van Gaslift điều khiển bằng chênh áp: Van Gaslift điều khiển bằng
chênh áp có quá trình đóng mở van điều khiển bằng độ chênh áp của cột chất
lỏng khai thác và khí nén.
+ Van Gaslift cơ học: Van Gaslift cơ học ít được sử dụng trong công
nghiệp khai thác dầu khí bằng Gaslift do tính chưa hoàn thiện về cấu tạo và
bất tiện về điều khiển. Quá trình đóng mở van loại cơ học phụ thuộc vào tác
động cơ học trên mặt đất.
* Theo Cấu trúc:
Van Gaslift dạng buồng khí, dạng lò xo hay dạng kết hợp.
+ Van Gaslift dạng buồng khí: tác nhân để đóng van của loại van này là
do áp suất của khí nén trong buồng chứa khí.
+ Van Gaslift dạng lò xo: tác nhân để đóng van của loại van này là do lực
đàn hồi của lò xo thay vì áp suất của khí nén trong buồng chứa khí.
+ Van Gaslift dạng kết hợp: tác nhân để đóng van của loại van này là do
tổng hợp lực đàn hồi của lò xo và lực áp suất nén của khí trong buồng chứa khí.
* Theo phương pháp lắp đặt:
Loại cố định có thể tháo gỡ:
+ Van Gaslift cố định: Được lắp đặt ngay trên cột ống nâng và thả cùng
với vột ống nâng vào giếng. Van loại này hầu như không được sử dụng vì
tính bất tiện do phải tiến hành kéo thả toàn bộ cột ống khai thác khi cần tháo
dỡ van.
+ Van Gaslift có thể tháo gỡ: Được lắp đặt vào túi chứa nhờ kỹ thuật tời.
Túi chứa được nối và thả cùng với cột ống nâng vào giếng theo độ sâu thiết
kế. Sau đó van Gaslift được lắp đặt hay tháo dỡ để thay thế hoặc sửa chữa

96

bằng kỹ thuật tời mà không cần phải kéo thả toàn bộ cột ống khai thác. Điều
này giảm đáng kể chi phí cho sửa chữa và thời gian dừng giếng.
* Theo chế độ khai thác:
Gồm van Gaslift liên tục và van Gaslift định kỳ.
* Theo thiết bị lắp đặt:
Gồm van Gaslift lắp đặt nhờ tời hoặc lắp đặt nhờ thuỷ lực.
b. Nguyên lý cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của van gaslift.
Nguyên lý cấu tạo:
Van gaslift được đặt vào trong túi đựng (mandrel) ở độ sâu thiết kế nhằm
đưa khí vào dòng sản phẩm khai thác để khí hoá phần cột chất lỏng phía trên
van. Van có cấu tạo đặt biệt cho phép điều khiển quá trình đóng mở van một
cách dễ dàng bằng áp suất khí nén hay bằng áp suất cột chất lỏng khai thác.
Van gaslift cấu tạo chủ yếu từ các thành phần chính sau: thân van 1, buồng
chứa khí nitơ 2, ti van 3 và lỗ dẫn khí 4

Hình 5.5.- Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của van gaslift.
Nguyên tắc hoạt động của van gaslift:
Để dễ hình dung nguyên tắc hoạt động của van gaslift, ta xem xét van
dạng buồng chứa khí Nitơ. Bộ phận quan trọng nhất của van gaslift loại này là
buồng chứa khí Nitơ nén. Van gaslift dạng buồng chứa khí Nitơ có ba tiết diện
quan trọng mà áp suất có thể tác động lên: tiết diện của buồng khí nén A b, tiết
diện của lỗ dẫn khí Ap và tiết diện hiệu dụng của buồng khí nén (A b – Ap)
(xem Hình 5.6). Trên cơ sở các tiết diện, đưa ra các khái niệm sau:
Yếu tố buồng chứa khí Nitơ Fb = Ab /(Ab – Ap)

97

Yếu tố lỗ dẫn khí Fp = Ap /(Ab – Ap).
* Nguyên tắc hoạt động của van gaslift kiểu buồng chứa khí Nitơ điều
khiển bằng áp suất khí nén (loại không cân bằng-áp suất đóng mở van
không bằng nhau):
+Phương trình cân bằng áp suất khi mở van (khi van đang đóng):
Tại thời điểm van đang đóng, diện tích Ap phía dưới ti van chịu áp suất
chất lỏng trong ống khai thác Pl và diện tích dưới buồng khí nitơ (A b – Ap) bị
áp suất khí nén Pk tác động đẩy lên. Diện tích buồng khí nitơ A b chịu áp suất
khí nitơ nén Ap tác động đẩy xuống. Khi van chuẩn bị mở thì ta có thể viết
phương trình cân bằng lực sau:
Pkm (Ab – Ap) + Plm Ap = PbAb
(5.1.1)
Trong đó: kí hiệu m: chỉ trạng thái van đang chuẩn bị mở.
Nếu van gaslift kiểu kết hợp nghĩa là có lò xo để hỗ trợ lực đóng van thì
phương trình có thể viết lại như sau:
Pkm (Ab – Ap) + Plm Ap = PbAb + Plx (Ab – Ap)
(5.1.2)
Trong đó: Plx là áp suất đàn hồi của lò xo.
Chia đẳng thức (5.1.1) và (5.1.2) cho (Ab – Ap ) ta có phương trình tương
đương sau:

Pkm + Plm

Pkm + Plm

Ap
( Ab − A p )

Ap
( Ab − Ap )

= Pp

= Pp

Ap
( Ab − A p )

Ap
( Ab − Ap )

(5.1.3)

+ Plx

(5.1.4)
Thay các yếu tố buồng chứa khí nitơ F b = Ab / (Ab – Ap) và yếu tố lỗ dẫn
khí Fb = Ap / (Ab – Ap ) vào (5.1.3) và (5.1.4) ta được:
Pkm + PlmFp = PbFb
(5.1.3’)
Pkm + PlmFp = PbFb + Plx
(5.1.4’)
Khi biết được áp suất Pkm và Plm, áp suất cần phải nạp vào buồng khí nén
có dạng tổng quát:
Pb =

1
Fp

( Pkm + PlmFp – Plx )

(5.1.5)

98

Từ (5.1.1), sau khi biến đổi toán học, áp suất cần phải nạp vào buồng khí
nén có thể viết dưới dạng như sau:
Ap

Pb=Pkm- Ab (Pkm-Plm)
(5.1.6)
+ Phương trình cân bằng áp suất khi đóng van (khi van đang mở):
Tại thời điển van đang mở diện tích phía dưới van A p và diện tích dưới
buồng khí Nitơ (Ab-Ap) chịu áp suất khí nén Pk tác động đẩy lên và diện tích
buồng khí nén Nitơ Ab chịu áp suất khí Nitơ nén Pb tác dụng đẩy xuống (xem
Hình 5.6). Khi van chuẩn bị đóng ta có thể viết phương trình cân bằng lực sau:
Pkd(Ab - Ap) + PkdAp = PbAb (5.1.7)
Trong đó: kí hiệu d chỉ trạng thái van khi chuẩn bị đóng.
Nếu van gaslift kiểu kết hợp thì phương trình (5.1.2)viết lại như sau:
Pkd(Ab - Ap) + PkdAp = PbAb + Plx(Ab - Ap)
(5.1.8)
Sau khi biến đổi toán học các đẳng thức (5.1.7) và (5.1.8), ta có các
phương trình tương đương sau: Pkd = Pb .
(5.1.9)

Hình 5.6.- Sơ đồ nguyên lý quá trình đóng mở van
gaslift kiểu buồng khí bằng áp suất khí nén.
1
Pkd = Pb + Fb Plx .

(5.1.10)
So sánh hai công thức tính áp suất đóng (5.1.7) và áp suất mở van (5.1.1) có
thể đưa ra công thức xác định áp suất đóng theo công thức mở hay ngược lại: