Tải bản đầy đủ
2 Dòng chảy của hỗn hợp dầu khí trong ống đứng và ống nghiêng

2 Dòng chảy của hỗn hợp dầu khí trong ống đứng và ống nghiêng

Tải bản đầy đủ

28
* Phương pháp Winkler và Smith.
* Phương pháp của Hughmark và Pressburg.
* Phương pháp của Hagerdorn và Brown,…
Dưới đây chúng ta tìm hiểu phương pháp của tác giả Orkizenski.
2.2.1 Phương trình phân bố áp suất dọc theo thành ống khai thác
Giả sử có cột ống khai thác dài L, nghiêng so với phương thẳng đứng một góc θ, ta
có phương trình vi phân tổng quát biểu diễn sự phân bố áp suất dọc theo cột ống khai
thác như sau:

λρ hhV 2
dP
dV
= gρ hh . cos θ
+ ρ hhV .
dL
2d
dL
Trong đó :
ρ hh .g . cos θ : Tổn hao do thay đổi độ cao (thành phần thế năng 70 -90%)

λρ hhV 2
: Tổn hao do áp suất (10 – 30%)
2d
ρ hhV .

dV
: Tổn hao do quán tính hay gia tốc (0 – 10%)
dL

P - Áp suất của dòng sản phẩm tại vị trí xem xét.
ρ hh - Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – khí.

D - Đường kính ống khai thác (mm).
V - Vận tốc của hỗn hợp lỏng khí.
L- Chiều dài ống khai thác.
θ - Góc nghiêng so với phương thẳng đứng.

2.2.2 Xác định các thông số cơ bản của hỗn hợp lỏng – khí
a Xác định vận tốc pha
Vận tốc pha là vận tốc giả thiết chỉ có một mình pha ấy chuyển động trong ống.
- Vận tốc pha khí: Vk được xác định theo công thức sau:
Vk =

qk
A

Trong đó: - qk - lưu lượng khí .

(2.15)

29
- A - tiết diện ống nâng
- Vận tốc pha lỏng V1 được xác định theo công thức sau:
V1 =

qk
A

(2.16)

Trong đó: q1 là lưu lượng pha lỏng.
Trong thực tế thường xảy ra là dòng chảy hai pha, do vậy ta phải xác định vận
tốc thực của pha lỏng và pha khí.
- Vận tốc thực của pha khí : Vvk =

Vk
qk
=
ϕk
Aϕ k

- Vận tốc thực của pha lỏng : Ttl =

Vl
ql
=
ϕl Aϕ l

(2.17)
(2.18)

S
ϕk : Độ chứa thực của pha khí ϕk = k
A
S
ϕ l : Độ chứa thực của pha lỏng : ϕl = l = 1 − ϕ k
A

Sk, S1 : Tiết diện của pha khí và pha lỏng.
- Vận tốc của hỗn hợp lỏng- khí được xác định theo công thức sau :
Vhh =

q1 + q k
= V k + V1
A

(2.19)

- Vận tốc trượt V tr : thường Tth ≠ Ttl nên sinh ra vận tốc trượt giữa hai pha khí và
lỏng.
Vtr = Tth - Ttl
b Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – khí ( ρ

hh

)

Khối lượng riêng của hỗn hợp được xác định theo công thức sau :

ρ

hh

=

ρ 1 ϕ1 + ρ

k

ϕk

+ Trường hợp Vtr = 0 ta có :

(2.20)
ϕk =

qk
qk
; ϕ1 = 1 −
q k + q1
q k + ql

 qk
Thay vào (2.20) ta được : ρ hh = ρ l 
 q k + ql

qk

 + ρk

q k + ql


30

⇒ ρ hh =

ρ l ql + q k ρ k
qk + ql

(2.21)

+ Trường hợp Vtr ≠ 0 ta có :

ρk =

qk
 V
q k + q l 1 + tr
 Vtl





Thay vào (2.20) ta được :

ρ hh



qk
= ρ l 1 −

 V
 q k + q l 1 + tr
 V

tl




qk
+ρ
k

 V
 
q k + q l 1 + tr
 
 Vtl





(2.22)

Mật độ của pha lỏng ρ l được xác định theo công thức sau :
ρl

= ρd fd + ρd =

qd
= 1− f n
qd + qn

qn : Lưu lượng của dầu và nước.
c Độ nhớt của hỗn hợp lỏng – khí ( µ hh )
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng-khí ( µ hh ) được xác định theo công thức sau :
µ hh =

µ lϕ l + µ kϕ k

Thay ϕ 1 = 1 - ϕk ta được : µ hh = µ l (1 - ϕk ) + µ k ϕk
Đối với hỗn hợp dầu – nước ta xác định được µ l như sau :
µl

= µ d φ d + µ n φn

Thay fd = 1 – fn
d Hệ số ma sát

ta có : µ l = µ d ( 1 – fn) + µ n f n )

λ

- Theo chế độ chảy ta xác định λ như sau :
* Hệ số Raynol Nre được xác định theo công thức sau :

31

Nre =

V dρ

µ

* Nếu Nre < 2100, chế độ chảy tầng,

λ được xác định theo công thức :

64

λ = N
re
* Nếu 3000 < N re < 3.106m chế độ chảy rối, hệ số

λ được xác định theo công thức :

λ = 0,0056 + 0,5.N-0,32.
0,6

* Nếu ϕk < 0,442 thì

λ = N 0,315
Re

* Nếu ϕk > 0,442 thì

λ =

1,13 − 1,2ϕ g
0 , 315
N Re

2.2.3 Phương pháp tính áp suất phân bố của dòng chất lỏng – khí trong ống khai
thác
Khi tính toán chuyển động của dòng lỏng- khí trong ống khai thác bằng Gaslift
người ta dùng phương trình vi phân của Hagedoer- Brown :

dP
= gρ hh . cos θ + Fms
dL

(2.23)

Fms - Lực ma sát của dòng chảy sinh ra trong quá trình chuyển động dọc thành
ống được quy đổi là một đơn vị diện tích.
Phương trình (2.23) chỉ thỏa mãn điều kiện là dòng chảy ổn định và bỏ qua lực
quán tính.
Sau đây chúng ta xác định các thông số làm việc của dòng chảy.
a Xác định mật độ của dòng chất lỏng
Để tính mật độ của dòng chất lỏng ta sử dụng công thức sau :

ρ hh = ρ d ϕ d + ρ n ϕ n + ρ k ϕ k với ϕ d + ϕ n + ϕ k = 1
Mật độ của dầu khí nước được xác định theo công thức :

ρ d = ρ dch + Bd ( P − P0 )

(2.24)

32

ρ n = ρ nch + Bn ( P − P0 )
ρ k = ρ kch +

PT0
ZP0T

(2.25)

Trong đó :
ρ dch , ρ nch , ρ kch : Là mật độ của dầu khí nước kg/m3(ở điều kiện tiêu chuẩn).

Bd, Bn : Là hệ số thể tích của dầu và nước.
P0, T0 : Áp suất và nhiệt độ 1at, 200C (ở đktc).
P – P0 : Áp suất nén.
P,T : Áp suất và nhiệt độ ở thời điểm đang xem xét.
Z: Hệ số lệch khỏi khí lý tưởng (Z =0,7 ÷ 1,2 : thực ; Z = 1 : khí lý tưởng).
b Xác định lưu lượng
Lưu lượng của dầu khí nước được xác định theo công thức sau :
qn =
qn =
qk =

q l f n ρ nch
ρn
q l (1 − f n ) ρ dch

(2.26)

ρd

[ q l (1 − f n )α ( Pbh − P) + Qk ] ρ kch
ρk

Qk : Thể tích khí đã được bơm ép vào giếng.
Pbh : Áp suất bão hòa.
c Xác định độ chứa dầu, nước và khí
ϕd

qd
qn
qk
; ϕn
; ϕk
qd + qn + qk
qd + qn + qk
qd + qn + qk

(2.27)

Nhiệt độ dọc theo thành ống khai thác được xác định theo công thức trung bình
(với độ sai số cho phép) sau :
T =Tbh +
Trong đó :

Ts + Tbt
.X
L

(2.28)

33
Tbt, TS : Nhiệt độ đứng và nghiêng tương ứng.
Tbh: Nhiệt độ bão hoà.
X: Độ dài từ miệng giếng tới điểm trên thành ống có nhiệt độ là T.
L : Chiều dài ống.
d Xác định độ nhớt của pha lỏng
µl =

µ d ϕd + µ nϕn
ϕd +ϕn

(2.29)

e Xác định hệ số Raynolds (NRe)
NRe =

4(q d ρ d + q n ρ n + q k ρ k )
πdµ

(2.30)

Từ công thức trên ta xác định được λ , vậy ta có công thức sau :
Ff =

8λ hh ρ hh (q d + q n + q k )

π 2d 5

(2.31)

Trên cơ sở các công thức (2.23) và (2.31) ta có thể xác định được độ sâu dẫn dầu
khí vào ống khai thác, lưu lượng khí nén và phân bố áp suất dọc theo thành ống khai
thác.

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC CƠ HỌC PHỔ BIẾN

34
3.1 Các phương pháp khai thác cơ học phổ biến
Trong quá trình khái thác dầu khí tuỳ thuộc vào chế độ năng lượng vỉa mà giếng
sau khi đã khoan xong được chuyển sang khai thác theo những phương pháp khai thác
khác nhau. Nếu năng lượng vỉa đủ thắng tổn hao năng lượng trong suốt quá trình dòng
sản phẩm chảy (với một lưu lượng khai thác nhất định nào đó) từ vỉa vào đáy giếng,
dọc theo cột ống khai thác nâng lên bề mặt và theo các đường ống vận chuyển đến hệ
thống thu gom, xử lý thì giếng sẽ khai thác theo chế độ tự phun. Một khi điều kiện này
không thảo mãn thì phải chuyển sang khai thác bằng phương pháp cơ học.
Mục đích áp dụng phương pháp cơ học là nhằm bổ sung thêm năng lượng bên
ngoài (nhân tạo) cùng với năng lượng vỉa (tự nhiên) để đảm bảo giếng hoạt động. Việc
cung cấp năng lượng bổ sung này thường để giảm chiều cao mực chất lỏng trong giếng
hoặc để giảm mật độ của dòng sản phẩm trong ống khai thác nhằm tăng chênh áp ( ∆ P
= Pv – Pđ).
Nhưng thực tế trong khai thác dầu trên thế giới, phương pháp tự phun thường
kéo dài trong vài năm đầu tiên của đời mỏ. Do vậy cần phải có biện pháp kéo dài chế
độ tự phun của giếng dầu càng lâu càng tốt. Khi chế độ tự phun không thể thực hiện
được, người ta phải nghiên cứu và tìm ra các giải pháp khai thác dầu bằng phương
pháp cơ học. Tuy nhiên dựa theo nguyên lý truyền năng lượng mà các phương pháp
khai thác cơ học được phân loại theo các nhóm sau: truyền lực bằng cần, truyền lực
bằng thuỷ lực, truyền lực bằng điện năng và truyền lực bằng khí nén cao áp.
3.1.1 Phương pháp khai thác dầu bằng máy bơm pitton cần và máy bơm guồng
xoắn
a Bản chất của phương pháp
Loại máy bơm này hoạt động nhờ động cơ điện được chuyển trực tiếp xuống
máy bơm ngầm thông qua hệ thống cần truyền lực. Đối với máy bơm pitton cần thì
chuyển động quay của động cơ điện thông qua cần truyền lực chuyển thành chuyển
động tịnh tiến để kéo thả pitton trong giếng. Trên pitton có lắp van ngược, khi pitton
hạ xuống thì dầu tràn qua van ngược đi lên phía trên, khi pitton di chuyển lên phía trên
thì van ngược sẽ đóng lại và nâng dầu lên mặt đất. Cứ như vậy dầu được chuyển từ
đáy giếng lên mặt đất.
Đối với máy bơm guồng xoắn thì chuyển động quay của động cơ được chuyển
thành chuyển động xoay theo phương thẳng đứng để quay guồng xoắn trong giếng.
Nhờ vậy mà dầu sẽ di chuyển lên mặt đất theo các rãnh xoắn của guồng.

35
b Ưu điểm
- Đáng tin cậy, ít gặp sự cố trong quá trình hoạt động.
- Hệ thống cấu tạo cơ học tương đối đơn giản.
- Dễ dàng thay đổi tốc độ khai thác cho phù hợp.
- Dễ dàng tháo lắp và di chuyển đến các giếng khai thác với chi phí thấp.
- Quá trình vận hành đơn giản hiệu quả.
- Ứng dụng với giếng có lưu lượng nhỏ và khai thác ở nhiều tầng sản phẩm, ở
áp suất thấp, nhiệt độ và độ nhớt cao.
- Dễ dàng xác định hư hỏng của máy bơm và xử lý khi bị ăn mòn.
c Nhược điểm
- Phải lắp đặt ở vị trí trung tâm của giếng.
- Hệ thống bơm pitton cần nặng cồng kềnh đối với việc khai thác dầu khí trên
biển.
- Rất nhạy cảm với trường hợp có parafin.
- Không thể sơn phủ bên trong ống khai thác một lớp chống ăn mòn.
- Độ sâu để bơm bị hạn chế bởi nồng độ H2S.
d Phạm vi ứng dụng
Giải pháp này được áp dụng chủ yếu ở các mỏ thuộc các nước Liên Xô cũ, các
mỏ ở Trung Cân Đông và các mỏ ở Mỹ. Các mỏ này có chung đặc điểm là vỉa sản
phẩm có độ sâu không lớn, đang trong giai đoạn khai thác giữa và cuối đời của mỏ, có
áp suất đáy giếng thấp dao động trong khoảng 10 ÷ 15at. Bơm pitton cần chỉ sử dụng
có hiệu quả trong những giếng có lưu lượng khai thác < 70 tấn/ngđ. Do điều kiện khai
thác trên biển bằng giàn cố định hay giàn tự nâng có diện tích sử dụng nhỏ nếu áp
dụng phương pháp này sẽ có nhiều điểm hạn chế so với các phương pháp khai tác cơ
học khác. Phương pháp này không được áp dụng ở mỏ Bạch Hổ.
3.1.2 Khai thác dầu bằng máy bơm thuỷ lực ngầm
a Bản chất của phương pháp
Hiện nay trong công nghiệp khai thác dầu người ta sử dụng hai loại máy bơm
thuỷ lực ngầm chính : Bơm đẩy thuỷ lực ngầm và bơm tia.