Tài liệu 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

Luận văn tốt nghiệp Lời cảm ơn ____________________________________________________________________________ LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Mai Cao Lân. Thầy đã truyền đạt cho em những kiến thức lý thuyết cơ sở quý báu, chỉ dẫn cho em phương pháp học tập hiệu quả, cách phân tích và giải quyết vấn đề, giúp đỡ em nguồn tài liệu tham khảo quan trọng, cũng như tạo điều kiện cho em được thực tập, và Thầy là người tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Em xin chân thành cảm ơn anh Nguyễn Viết Văn, người đã hướng dẫn và giúp đỡ em từng bước hoàn thành luận văn tốt nghiệp, giúp em liên hệ kiến thức giữa lý thuyết và thực tiễn. Em thật sự cảm ơn về những kiến thức thực tế rất hữu ích mà anh đã chỉ dẫn trong suốt quá trình thực tập. Bên cạnh đó, em cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các anh chị phòng Khai Thác – Hoàng Long Hoàn Vũ JOC đã nhiệt tình giúp đỡ và sẵn sàng giải đáp những thắc mắc của em trong suốt quá trình thực tập. Em muốn được bày tỏ lòng biết ơn trân trọng đến các thầy cô trường Đại học Bách Khoa ĐHQG Tp.HCM, đặc biệt là các thầy cô khoa KT Địa chất và Dầu khí, các thầy ở bộ môn Khoan và Khai Thác Dầu Khí đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo và giúp đỡ em trong suốt thời gian trên giảng đường đại học. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Công ty Điều hành chung dầu khí Hoàng Long Hoàn Vũ JOC, Ts. Ngô Hữu Hải, ông Vũ Văn Cường, đã tạo điều kiện cho em thực tập và hoàn thành tốt luận văn này. Con xin gửi lời tri ân sâu sắc đến Ba Mẹ, cảm ơn Ba Mẹ đã sinh thành, nuôi dưỡng và dạy dỗ con nên người. Ba Mẹ luôn là nguồn động viên lớn nhất và đã tạo cho con những điều kiện tốt nhất trên bước đường học tập và trưởng thành. Đối với con, gia đình luôn là chỗ dựa lớn lao trong cuộc đời này. Sau cùng, tôi muốn cám ơn các anh chị sinh viên khoa Kỹ Thuật Địa Chất & Dầu Khí, các bạn cùng khóa và các em sinh viên khóa sau đã cùng tôi đồng hành trên bước đường học tập. ĐỖ XUÂN HÒA ______________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690 i Luận văn tốt nghiệp Tóm tắt luận văn ____________________________________________________________________________ TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay, việc kết nối hệ thống các đường ống vận chuyển dầu khí nội mỏ hoặc mỏ cận biên là một trong những phương án phát triển được đánh giá cao về hiệu quả kinh tế đạt được. Tuy nhiên, bên cạnh đó, nhiều rủi ro luôn tồn ẩn trong quá trình vận hành hệ thống đường ống này, đặc biệt đối với những đường ống ngầm dài hàng chục kilomet dưới đáy biển. Do đó, trong luận văn này, giải pháp tối ưu hóa quá trình vận chuyển hỗn hợp dầu khí trong đường ống ngầm dưới biển nhằm đảm bảo tính ổn định dòng chảy trong ống, giảm thiểu rủi ro và chi phí vận hành được thực hiện. Trong phần đầu của luận văn, cơ sở lý thuyết về tối ưu hóa sẽ được trình bày một cách tổng quan nhằm xác định mục đích, đối tượng và các phương pháp sử dụng cho việc tối ưu. Tiếp đó, cơ sở lý thuyết và tính toán nhằm xây dựng mô hình dòng chảy đa pha trong đường ống vận chuyển được trình bày. Cơ sở xây dựng mô hình dòng chảy đa pha là các phương trình vi phân được thiết lập cho từng pha của chất lưu. Đối tượng nghiên cứu cụ thể của luận văn là 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. Dựa trên cơ sở lý thuyết đã trình bày ở những phần đầu, các thành phần, tính chất chất lưu và hiện trạng làm việc thực tế trong đường ống vận chuyển này được tiến hành phân tích và đưa ra nhận xét. Sau quá trình phân tích này, các quy trình tối ưu hóa được xây dựng chi tiết bao gồm thu thập và xử lý các số liệu đầu vào cần thiết phục vụ cho việc xây dựng mô hình, hiệu chỉnh mô hình, sử dụng mô hình mô phỏng bài toán. Kết quả đạt được sau quá trình mô phỏng là sự biễu diễn áp suất, nhiệt độ, tỷ phần lỏng, tác động sự hình thành các nút khí trong hệ thống đường ống vận chuyển với các chế độ làm việc khác nhau. Trên cơ sở phân tích và đánh giá các kết quả này, việc đề xuất phương án hợp lý nhằm cải thiện hiệu suất vận chuyển cũng như giảm thiểu rủi ro và tiết kiệm chi phí xử lý được thực hiện. ______________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690 ii Luận văn tốt nghiệp Mục lục ____________________________________________________________________________ MỤC LỤC MỤC LỤC ...................................................................................................................... iii DANH SÁCH HÌNH ẢNH .............................................................................................. v DANH SÁCH BẢNG BIỂU ........................................................................................ viii CHỮ VIẾT TẮT .............................................................................................................ix MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU HÓA VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ BẰNG ĐƯỜNG ỐNG KẾT NỐI................................................................................................. 1 1.1. Tổng quan về tối ưu hóa vận chuyển dầu khí bằng đường ống kết nối.............. 1 1.2. Mục đích của việc tối ưu hóa vận chuyển dầu khí trong đường ống ................. 2 1.3. Phương pháp tối ưu hóa ...................................................................................... 3 1.3.1. Mục tiêu tối ưu hóa................................................................................... 3 1.3.2. Các thông số kiểm soát quá trình tối ưu hóa ............................................ 3 1.3.3. Các phương pháp sử dụng cho quá trình tối ưu hóa................................. 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT DÒNG CHẢY ĐA PHA TRONG ĐƯỜNG ỐNG VẬN CHUYỂN ............................................................................................................... 8 2.1. Tổng quan về dòng chảy đa pha ......................................................................... 8 2.1.1 Các chế độ dòng chảy trong đường ống nằm ngang.................................... 8 2.1.2 Các chế độ dòng chảy trong đường ống thẳng đứng ................................ 10 2.1.3 Biểu đồ chế độ dòng chảy (Flow regime maps) ........................................ 11 2.2 Cơ sở tính toán và xây dựng mô hình dòng chảy hai pha ................................ 15 2.2.1. Phương trình bảo toàn khối lượng .......................................................... 15 2.2.2. Phương trình bảo toàn động lượng ......................................................... 16 2.2.3. Phương trình bảo toàn năng lượng ......................................................... 17 2.2.4. Phương trình áp suất ............................................................................... 18 2.2.5. Sự truyền khối giữa bề mặt phân cách các pha ...................................... 18 2.3. Các tính chất cơ bản của chất lưu vận chuyển trong đường ống ...................... 19 ______________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690 iii Luận văn tốt nghiệp Mục lục ____________________________________________________________________________ 2.3.1. Tính lưu biến .......................................................................................... 19 2.3.2. Nhiệt độ kết tinh ..................................................................................... 24 2.3.3. Nhiệt độ đông đặc................................................................................... 24 2.3.4. lưu Ảnh hưởng hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc đến các tính chất của chất ................................................................................................................ 25 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 ....................................................................................................................... 30 3.1. Tổng quan hệ thống kết nối mỏ Cá Ngừ Vàng – mỏ Bạch Hổ ........................ 30 3.1.1. Giới thiệu chung mỏ Cá Ngừ Vàng ........................................................ 30 3.1.2. Hệ thống đường ống kết nối CNV – CPP3 ............................................ 31 3.1.3. Thành phần và tính chất dầu thô CNV ................................................... 33 3.1.4. Hiện trạng làm việc thực tế trong đường ống vận chuyển dầu khí CNV – CPP3 ................................................................................................................ 41 3.2. Xây dựng mô hình dòng chảy đa pha trong đường ống vận chuyển ................ 50 3.2.1. Các dữ liệu thực tế cần thiết cho việc xây dựng mô hình ...................... 51 3.2.2. chuyển Xây dựng mô hình nhiệt thủy động dòng chảy trong đường ống vận ................................................................................................................ 53 3.2.3. chuyển Hiệu chỉnh mô hình nhiệt thủy động dòng chảy trong đường ống vận ................................................................................................................ 54 3.3. Mô phỏng quá trình nhiệt thủy động dòng chảy trong đường ống và đề xuất phương án tối ưu hóa vận chuyển hỗn hợp dầu khí ................................................... 57 3.3.1. Mô phỏng quá trình nhiệt thủy động dòng chảy trong đường ống vận chuyển với chế độ lưu lượng hoạt động hiện thời.................................................. 57 3.3.2. Mô phỏng quá trình nhiệt thủy động dòng chảy trong đường ống vận chuyển với các chế độ lưu lượng khác nhau .......................................................... 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 87 ______________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690 iv Luận văn tốt nghiệp Danh sách hình ảnh ____________________________________________________________________________ DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1 – Mục đích tối ưu hóa vận chuyển dầu khí trong đường ống ........................... 2 Hình 1.2 – Các lớp bọc cách nhiệt đường ống vận chuyển CNV – CPP3 [9] .................. 4 Hình 1.3 – Hình dạng con thoi 8.5" ................................................................................. 7 Hình 1.4 – Hình dạng con thoi 9.25" ............................................................................... 7 Hình 2.1 – Các chế độ dòng chảy trong đường ống nằm ngang [3] ............................... 10 Hình 2.2 – Các chế độ dòng chảy trong đường ống thẳng đứng [3] .............................. 10 Hình 2.3 – Biểu đồ chế độ dòng chảy Beggs & Brill (1973) cho ống ngang [3] ............ 13 Hình 2.4 – Biểu đồ chế độ dòng chảy Taitel và Dukler (1976) cho ống ngang [3] ........ 15 Hình 2.5 – Các mô hình chất lỏng Newton và phi Newton [2] ....................................... 20 Hình 2.6 – Hình vẽ biễu diễn ứng suất trượt của chất lỏng Newton [2] ......................... 21 Hình 2.7 – Các tinh thể paraffin trước (trái) và sau (phải) khi sử dụng hóa phẩm [16]. 26 Hình 2.8 – Kết quả thí nghiệm các chất làm giảm nhiệt độ đông đặc khác nhau với các liều lượng khác nhau ...................................................................................................... 27 Hình 2.9 – Ảnh hưởng của các chất PPD với liều lượng 1000ppm đến độ cản ban đầu ........................................................................................................................................ 28 Hình 2.10 – Ảnh hưởng của các chất PPD với liều lượng 1000ppm đến độ nhớt động học dầu của CNV ........................................................................................................... 28 Hình 3.1 – Sơ đồ vị trí mỏ Cá Ngừ Vàng [9] ................................................................... 30 Hình 3.2 – Sơ đồ vận chuyển dầu khí từ CNV WHP [9] ................................................. 31 Hình 3.3 – Đồ thị biểu diễn sự thay đổi tốc độ lắng đọng paraffin khi giảm nhiệt độ .. 35 Hình 3.4 – Đồ thị biểu diễn hàm lượng % paraffin hòa tan trong dầu theo nhiệt độ ... 36 Hình 3.5 – Đồ thị biểu diễn biến thiên độ nhớt động học STO theo nhiệt độ ................ 38 Hình 3.6 – Đồ thị biểu diễn biến thiên độ nhớt động học Live Crude theo nhiệt độ ..... 39 Hình 3.7 – Đồ thị so sánh độ nhớt động học biến thiên theo nhiệt độ của STO & Live crude ............................................................................................................................... 40 Hình 3.8 – Đồ thị biểu diễn lưu lượng và áp suất làm việc trên CNV & CPP-3 ........... 43 Hình 3.9 – Đồ thị biểu diễn lưu lượng và nhiệt độ làm việc trên CNV & CPP-3 ......... 44 Hình 3.10 – Quan hệ giữa lưu lượng và áp suất trong đường ống CNV- CPP3, 1st ..... 45 Hình 3.11 – Quan hệ giữa lưu lượng và áp suất trong đường ống CNV- CPP3, 2nd .... 45 Hình 3.12 – Quan hệ giữa lưu lượng và áp suất trong đường ống CNV- CPP3, 3rd .... 46 ______________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690 v Luận văn tốt nghiệp Danh sách hình ảnh ____________________________________________________________________________ Hình 3.13 – Quan hệ giữa lưu lượng và áp suất trong đường ống CNV- CPP3, 4th ..... 46 Hình 3.14 – Quan hệ giữa lưu lượng và áp suất trong đường ống CNV- CPP3, 5th ..... 47 Hình 3.15 – Sơ đồ quy trình mô phỏng chung cho bài toán tối ưu hóa quá trình vận chuyển dầu khí trong thực tế .......................................................................................... 49 Hình 3.16 – Sơ đồ mô tả các bước chung trong quá trình xây dựng mô hình ............... 50 Hình 3.17 – Đồ thị mô phỏng mặt cắt tuyến ống CNV-CPP3 trên OLGA 7.0 .............. 52 Hình 3.18 – Mô hình hệ thống đường ống vận chuyển hỗn hợp dầu khí CNV – CPP3 53 Hình 3.19 – Kết quả mô phỏng áp suất trên CNV & CPP3 trong 24h (start-up) sau khi chạy mô hình. ................................................................................................................. 53 Hình 3.20 – Kết quả mô phỏng nhiệt độ trên CNV & CPP-3 trong 24h (start-up) sau khi chạy mô hình ............................................................................................................ 54 Hình 3.21 – Kết quả áp suất đo thực thế trên CNV và CPP-3 trong 24h ...................... 55 Hình 3.22 – Kết quả nhiệt độ đo thực tế trên CNV & CPP-3 trong 24h ....................... 55 Hình 3.23 – Kết quả hiệu chỉnh áp suất thực tế và mô phỏng trên CNV & CPP3 ........ 56 Hình 3.24 – Kết quả hiệu chỉnh nhiệt độ thực tế và mô phỏng trên CNV & CPP3 ....... 56 Hình 3.25 – Đồ thị biễu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất sau côn tiết lưu ... 57 Hình 3.26 – Kết quả mô phỏng biến thiên áp suất trong đường ống vận chuyển CNV CPP3 .............................................................................................................................. 58 Hình 3.27 – Kết quả mô phỏng biến thiên nhiệt độ trong đường ống vận chuyển CNV CPP3 .............................................................................................................................. 59 Hình 3.28 – Kết quả mô phỏng áp suất và nhiệt độ trong đường ống sau 24h (6000STB/d) ................................................................................................................... 60 Hình 3.29 – Kết quả mô phỏng vận tốc và tỷ phần lỏng trong đường ống sau 24h ...... 61 Hình 3.30 – Kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại CPP-3 ................................... 61 Hình 3.31 – Kết quả mô phỏng áp suất và nhiệt độ trong đường ống sau 24h (5000STB/d) ................................................................................................................... 62 Hình 3.32 – Kết quả mô phỏng vận tốc và tỷ phần lỏng trong đường ống sau 24h ...... 63 Hình 3.33 – Kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại CPP-3 ................................... 63 Hình 3.34 – Kết quả mô phỏng áp suất và nhiệt độ trong đường ống sau 24h (3000STB/d – 40bar) ...................................................................................................... 64 Hình 3.35 – Kết quả mô phỏng vận tốc và tỷ phần lỏng trong đường ống sau 24h ...... 65 Hình 3.36 – Kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại CPP-3 ................................... 65 Hình 3.37 – Kết quả mô phỏng áp suất và nhiệt độ trong đường ống sau 24h (3000STB/d – 17bar) ...................................................................................................... 66 Hình 3.38 – Kết quả mô phỏng vận tốc và tỷ phần lỏng trong đường ống sau 24h ...... 67 Hình 3.39 – Kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại CPP-3 ................................... 67 ______________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690 vi Luận văn tốt nghiệp Danh sách hình ảnh ____________________________________________________________________________ Hình 3.40 – Kết quả mô phỏng áp suất và nhiệt độ trong đường ống sau 24h (2000STB/d) ................................................................................................................... 68 Hình 3.41 – Kết quả mô phỏng vận tốc và tỷ phần lỏng trong đường ống sau 24h ...... 69 Hình 3.42 – Kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại CPP-3 ................................... 69 Hình 3.43 – Lưu lượng thể tích tại CPP-3 (2000 bbl/d) ................................................ 70 Hình 3.44 – Số nút khí tại CPP-3 (2000 bbl/d) .............................................................. 71 Hình 3.45 – Chiều dài nút khí tại CPP-3 (2000 bbl/d) .................................................. 71 Hình 3.46 – Lưu lượng cộng dồn tại CPP-3 (2000 bbl/d) ............................................. 72 Hình 3.47 – So sánh thể tích lỏng thay đồi đột ngột tại CPP-3 ở 2000 bbl/d & 5000 bbl/d ................................................................................................................................ 72 Hình 3.48 – Kết quả mô phỏng áp suất và nhiệt độ trong đường ống sau 24h (1000STB/d) ................................................................................................................... 73 Hình 3.49 – Kết quả mô phỏng vận tốc và tỷ phần lỏng trong đường ống sau 24h ...... 74 Hình 3.50 – Kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại CPP-3 ................................... 74 Hình 3.51 – Lưu lượng thể tích tại CPP-3 (1000 bbl/d) ................................................ 75 Hình 3.52 – Số nút khí tại CPP-3 (1000 bbl/d) .............................................................. 76 Hình 3.53 – Chiều dài nút khí tại CPP-3 (1000 bbl/d) .................................................. 76 Hình 3.54 – Lưu lượng cộng dồn tại CPP-3 (1000 bbl/d) ............................................. 77 Hình 3.55 – So sánh thể tích lỏng thay đồi đột ngột tại CPP-3 ở 1000 bbl/d & 5000 bbl/d ................................................................................................................................ 77 Hình 3.56 – Đồ thị biễu diễn kết quả phân tích nhiệt độ đông đặc với các liều lượng chất ức chế khác nhau .................................................................................................... 79 Hình 3.57 – Đồ thị biểu diễn hiệu quả của hóa phẩm PPD đến độ nhớt của dầu CNV 81 ______________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690 vii Luận văn tốt nghiệp Danh sách bảng biểu ____________________________________________________________________________ DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1 – Các đặc tính cơ bản của đường ống vận chuyển CNV – CPP3 [9] ................ 5 Bảng 2.1 – Bảng liệt kê các chất PPD sử dụng cho việc sàng lọc ................................ 26 Bảng 2.2 – Bảng kết quả đánh giá hiệu quả sử dụng các loại PPD khác nhau ............ 29 Bảng 3.1 – Các đặc tính kỹ thuật của đường ống ngầm khai thác [9] ............................ 32 Bảng 3.2 – Kết quả phân tích các thành phần trong dầu thô 9.2-CNV-4XST, DST#1 .. 33 Bảng 3.3 – Các thông số cơ bản của dầu thô CNV........................................................ 34 Bảng 3.4 – Kết quả phân tích khả năng lắng đọng của dầu CNV ................................. 35 Bảng 3.5 – Kết quả phân tích hàm lượng hòa tan paraffin trong dầu theo nhiệt độ..... 36 Bảng 3.6 – Các giá trị độ nhớt động lực dầu CNV ở các nhiệt độ khác nhau .............. 37 Bảng 3.7 – Các thông số làm việc trong đường ống vận chuyển CNV - CPP-3 ........... 42 Bảng 3.8 – Dữ liệu thành phần chất lưu CNV trên PVTsim 19.0 .................................. 51 Bảng 3.9 – Dữ liệu áp suất, nhiệt độ và lưu lượng ........................................................ 51 Bảng 3.10 – Dữ liệu cơ bản vật liệu của đường ống ..................................................... 52 Bảng 3.11 – Dữ liệu nhiệt độ và áp suất sau côn tiết lưu .............................................. 57 Bảng 3.12 – Các trường hợp mô phỏng chế độ dòng chảy ổn định trong đường ống .. 58 Bảng 3.13 – Dữ liệu mô phỏng các chế độ lưu lượng khác nhau .................................. 59 Bảng 3.14 – Kết quả mô phỏng nhiệt thủy động dòng chảy trong đường ống với các chế độ lưu lượng khác nhau ........................................................................................... 78 Bảng 3.15 – Kết quả phân tích nhiệt độ đông đặc ở các liều lượng chất ức chế khác nhau ................................................................................................................................ 79 Bảng 3.16 – Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của hóa phẩm đến độ nhớt động học của dầu CNV ........................................................................................................... 80 Bảng 3.17 – Bảng định lượng hóa phẩm cho các lưu lượng vận chuyển khác nhau .... 82 ______________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690 viii Luận văn tốt nghiệp Chữ viết tắt ____________________________________________________________________________ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Mô tả API American Petroleum Institute ASTM American Society of Testing and Materials BH Bach Ho CNV WHP Ca Ngu Vang Well Head Platform CPP JV Vietsovpetro’s Central Processing Platform at Bach Ho field CPM Cross Polarized Micoscope CWC Concrete Weight Coating DSC Differential Scanning Calorimetry FSO Floating Storage and Offloading FPSO Floating Production Storage and Offloading GOR Gas Oil Ratio NIR Near infrared ID Inner Diameter OD Outside Diameter PP Polypropylene PPD Pour Point Depressant PU Polyurethane STO Stock Tank Oil WAT Wax Appearance Temperature ______________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690 ix Luận văn tốt nghiệp Mở đầu ____________________________________________________________________________ MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Dầu khí là nguồn năng lượng quan trọng để phát triển nền kinh tế. Ngành công nghiệp dầu khí đóng góp hơn 25% tổng ngân sách nhà nước. Nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ dầu khí ngày càng gia tăng của thị trường trong nước cũng như đảm bảo phát triển kinh tế đất nước đòi hỏi phát triển nhanh và hiệu quả các mỏ dầu khí, đặc biệt là các mỏ có trữ lượng thu hồi nhỏ. Việc nghiên cứu và đưa ra các phương án để phát triển các mỏ nhỏ tại Việt Nam có ý nghĩa quan trọng và cấp thiết trong giai đoạn hiện nay. Một trong những những phương án tốt nhất được ứng dụng tại các công ty điều hành dầu khí là phương án phát triển kết nối. Với phương án này, sản phẩm dầu khí sau khi được khai thác lên từ các giàn đầu giếng ở các mỏ nhỏ sẽ được vận chuyển thông qua hệ thống đường ống ngầm dưới biển đến hệ thống xử lý tại các giàn xử lý trung tâm hoặc các tàu xử lý và chứa FSO. Việc tối ưu hóa quá trình vận chuyển hỗn hợp dầu khí xuất phát từ nhu cầu dự án thực tiễn giữa Hoàn Vũ JOC kết hợp với Vietsovpetro về đường ống kết nối dài 25km từ mỏ Cá Ngừ Vàng của đến giàn xử lý trung tâm số 3 mỏ Bạch Hổ. Với một hệ thống đường ống dài như vậy, quá trình vận chuyển luôn gặp nhiều tiềm ẩn rủi ro cao như lắng đọng paraffin trong đường ống, sự hình thành các nút khí, sự thay đổi điều kiện làm việc trong quá trình vận hành đường ống,... Tác động của những việc này sẽ làm tắc nghẽn đường ống, gây cản trở sự di chuyển của chất lưu, tạo nên sự tích áp và giảm năng suất vận chuyển trong ống … Cho nên, việc nghiên cứu, đề xuất các phương án công nghệ hợp lý và lập ra biện pháp kiểm soát thích hợp nhằm đảm bảo tính ổn định của dòng chảy, hạn chế rủi ro trong quá trình vận hành đường ống là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu hiện nay. Chính vì vậy, đề tài luận văn “TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ TRONG ĐƯỜNG ỐNG NGẦM DƯỚI BIỂN TỪ MỎ CÁ NGỪ VÀNG ĐẾN GIÀN XỬ LÝ TRUNG TÂM SỐ 3 MỎ BẠCH HỔ” được nghiên cứu. ______________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690 x Luận văn tốt nghiệp Mở đầu ____________________________________________________________________________ 2. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài Trên thế giới, một số công trình đã nghiên cứu về việc tối ưu hóa vận chuyển hỗn hợp dầu khí đa pha trong hệ thống đường ống kết nối dựa trên các vấn đề xảy ra trong thực tế. Trong bài báo (Leksono Mucharam, Septoratno Siregar, Darmadi, Musyoffi Yahya, Achirul Akbar, 2008), dựa trên các phương trình bảo toàn năng lượng và phương pháp Newton-Raphson kết hợp với việc phân tích, đánh giá chế độ dòng chảy và các thành phần, tính chất của chất lưu vận chuyển trong đường ống, tác giả đã xây dựng thành công mô hình dự báo được quá trình tổn thất áp suất và nhiệt độ của chất lưu trong suốt quá trình vận chuyển. Mô hình này đã được ứng dụng trong nhiều bài toán tối ưu hóa vận chuyển hỗn hợp dầu khí đa pha, đặc biệt là dầu chứa nhiều hàm lượng paraffin. Bài báo (Jinya Zhang; Hongwu Zhu; Yan Li; Chun Yang, 2009) dựa trên thuật toán di truyền, tác giả đã xây dựng lên hàm đa mục tiêu cho bài toán tối ưu hóa quá trình vận chuyển hỗn hợp dầu khí đa pha trong hệ thống đường ống vận chuyển. Thông qua phương pháp này, các yếu tố về kinh tế cũng như hoạt động của chất lưu trong đường ống (chế độ thủy lực, nhiệt động…) được cải thiện khá hiệu quả và giảm thiểu được nhiều rủi ro trong suốt quá trình vận hành. Tại Việt Nam, một số công trình đã nghiên cứu các giải pháp cho việc tối ưu hóa và đảm bảo chế độ dòng chảy trong đường ống vận chuyển hỗn hợp dầu khí. Trong bài báo của (Nguyen Thuc Khang, Ha Van Bich, Tong Canh Son, Le Dinh Hoe, JV Vietsovpetro; Phung Dinh Thuc, PVEP Vietnam, 2004), tác giả đã xây dựng một phương pháp khá hiệu quả cho việc quản lý chế độ dòng chảy đa pha trong hệ thống đường ống vận chuyển - phương pháp thống kê dựa trên dữ liệu thực tế để phân tích sự dao động áp suất và xác định các thông số tức thời như Hausdorff's Dimension “D”, Hurst's Index “H” và Entropies “E”. Bên cạnh đó, một số công trình đã và đang được nghiên cứu về việc đảm bảo dòng chảy trong đường ống vận chuyển ở các công ty điều hành dầu khí như Hoàn Vũ JOC kết hợp với Vietsovpetro liên quan đến đường ống kết nối từ mỏ Cá Ngừ Vàng về ______________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690 xi Luận văn tốt nghiệp Mở đầu ____________________________________________________________________________ giàn xử lý trung tâm CPP-3 của mỏ Bạch Hổ, Hoàng Long JOC kết hợp với Thăng Long JOC liên quan đến dự án kết nối đường ống từ HST/HSD về giàn TGT-H1 của mỏ Tê Giác Trắng. 3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục đích của đề tài là mô phỏng các chế độ làm việc khác nhau trong đường ống vận chuyển dầu khí từ mỏ Cá Ngừ Vàng đến mỏ Bạch Hổ nhằm xác định lưu lượng làm việc tối thiểu mà tại đó chất lưu còn có thể di chuyển được trong đường ống và tìm ra phương án hợp lý giảm thiểu rủi ro như lắng đọng paraffin, sự hình thành nút khí,... Để đạt được mục đích trên, luận văn tập trung vào các nội dung nghiên cứu sau : - Khảo sát một cách hệ thống tổng quan về tối ưu hóa quá trình vận chuyển dầu khí trong đường ống. - Tìm hiểu các mô hình dòng chảy và cơ sở xây dựng mô hình dòng chảy trong đường ống vận chuyển dầu khí đa pha. - Ứng dụng phần mềm OLGA 7.0 mô phỏng và phân tích các chế độ làm việc khác nhau trong đường ống vận chuyển dầu khí và đề xuất phương án giảm thiểu các rủi ro trong quá trình vận hành. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài bao gồm: - Hệ thống hóa cơ sở tính toán dòng chảy & lý thuyết tối ưu hóa trong đường ống vận chuyển. - Phân tích số liệu các thí nghiệm. - Mô hình hóa và mô phỏng với sự hỗ trợ của phần mềm OLGA 7.0. - Phương pháp phân tích ảnh hưởng (Sensitivity analysis). 5. Tài liệu cơ sở của luận văn Luận văn được xây dựng trên cơ sở của các tài liệu về lý thuyết dòng chảy đa pha trong đường ống, lý thuyết về thu gom & vận chuyển dầu khí đa pha trong đường ______________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690 xii Luận văn tốt nghiệp Mở đầu ____________________________________________________________________________ ống và một số bài báo SPE. Ngoài ra, luận văn còn sử dụng các tài liệu kỹ thuật, tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm OLGA của công ty SPT Group – Schlumberger, một số báo cáo về đảm bảo dòng chảy trong đường ống vận chuyển của các công ty dầu khí. 6. Cấu trúc của luận văn Luận văn bao gồm các chương chính sau: Chương 1: Tổng quan về tối ưu hóa vận chuyển dầu khí bằng đường ống kết nối Giới thiệu một cách tổng quan về tối ưu hóa vận chuyển dầu khí bằng đường ống và mục đích của việc tối ưu này. Bên cạnh đó, các phương pháp được sử dụng cho bài toán tối ưu trong thực tế hiện nay cũng được trình bày trong chương này. Chương 2: Cơ sở lý thuyết về dòng chảy đa pha trong đường ống vận chuyển Trình bày một cách tổng quát lý thuyết về dòng chảy đa pha, các tính chất cơ bản của chất lưu vận chuyển trong đường ống và các phương trình toán học giúp mô phỏng dòng chảy đa pha trong đường ống. Chương 3: Mô phỏng quá trình nhiệt thủy động dòng chảy trong đường ống kết nối mỏ Cá Ngử Vàng đến mỏ Bạch Hổ và đề xuất phương án tối ưu hóa quá trình vận chuyển hỗn hợp dầu khí Luận văn trình bày sơ lược tổng quan về mỏ Cá Ngừ Vàng. Thêm vào đó, các lý thuyết về dòng chảy đa pha và tính chất của chất lưu vận chuyển trong đường ống ở chương 2 được sử dụng để phân tích các tính chất hóa lý của dầu thô CNV cũng như các thông số làm việc thực tế trong đường ống vận chuyển từ CNV – CPP3. Sau quá trình phân tích này, các quy trình mô phỏng được đề xuất. Cuối cùng, mô hình nhiệt thủy động dòng chảy trong đường ống vận chuyển hỗn hợp dầu khí được xây dựng dựa trên các phương trình toán học đã đề cập trong chương 2 và phục vụ cho việc mô phỏng bài toán tối ưu hóa. ______________________________________________________________________ SVTH: Đỗ Xuân Hòa-MSSV: 30800690 xiii Luận văn tốt nghiệp Tổng quan tối ưu hóa vận chuyển dầu khí ____________________________________________________________________________ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU HÓA VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ BẰNG ĐƯỜNG ỐNG KẾT NỐI 1.1. Tổng quan về tối ưu hóa vận chuyển dầu khí bằng đường ống kết nối Trên thực tế, việc phát triển các mỏ nhỏ là một bài toán khó khăn do có nhiều rủi ro, chi phí đầu tư và vận hành tính trên mỗi đơn vị thu hồi lớn. Vì vậy, để phát triển các mỏ nhỏ, việc lựa chọn và áp dụng phương án công nghệ mới thích hợp trong lĩnh vực vận chuyển là ưu tiên hàng đầu. Trong đó, phương án phát triển kết nối bằng đường ống được đánh giá cao về hiệu quả kinh tế đạt được. Với phương án này, các hệ thống thiết bị xử lý và cơ sở hạ tầng sẵn có ở các mỏ lân cận được tận dụng khá hiệu quả cho việc phát triển các mỏ mới. Đã có một số dự án phát triển theo phương án này bao gồm mỏ Cá Ngừ Vàng (lô 09.2, Hoàn Vũ JOC), mỏ Nam Rồng – Đồi Mồi (lô 09.3, công ty VRJ) và Phương Đông (Lô 15.1, JVPC). Mỏ Cá Ngừ Vàng và Nam Rồng – Đồi Mồi được nối về hệ thống thiết bị tại mỏ Bạch Hổ (Vietsovpetro), mỏ Phương Đông được kết nối vào hệ thống thiết bị của mỏ Rạng Đông. Việc chia xẻ thiết bị thu gom, khai thác, xử lý và vận hành chung giữa các mỏ lân cận giúp giảm thiểu hàng trăm triệu USD chi phí đầu tư và phát triển khai thác. Nhưng bên cạnh đó, các rủi ro luôn tồn tại đối với hệ thống đường ống kết nối khá dài giữa các mỏ với nhau như lắng đọng paraffin gây tắc nghẽn, ngưng hoạt động hệ thống đường ống kết nối CNV-CPP3 (2008), sự hình thành các nút khí tác động xấu đến đường ống (sự tích áp trong đường ống gây nguy cơ nổ ống) và khả năng tiếp nhận của hệ thống bình tách sơ cấp (quá trình biến đổi đột ngột lượng chất lỏng trước khi vào bình tách)... Trước tình hình thực tế này, việc khảo sát bài toán tối ưu hóa vận chuyển nhằm đảm bảo dòng chảy trong đường ống luôn hoạt động ở trạng thái tốt nhất là rất cần thiết. Cụ thể, công ty điều hành chung dầu khí Hoàng Long Hoàn Vũ JOC đã và đang nghiên cứu việc xử lý hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc cho dầu CNV, việc SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 1 Luận văn tốt nghiệp Tổng quan tối ưu hóa vận chuyển dầu khí ____________________________________________________________________________ phóng thoi định kỳ nạo vét đường ống để loại bỏ paraffin lắng đọng trên thành ống, lưu lượng vận chuyển hợp lý nhất cho mỗi giai đoạn khai thác phù hợp với điều kiện thực tế của đường ống … 1.2. Mục đích của việc tối ưu hóa vận chuyển dầu khí trong đường ống Trên thực tế, hệ thống đường ống vận chuyển dầu khí trong đường ống ngầm dưới biển nội mỏ với nhau luôn đối mặt với sự dao động áp suất, nhiệt độ và lưu lượng vận chuyển của chất lưu trong ống. Các yếu tố này có thể gây ra sự phức tạp và tính mất ổn định trong vận chuyển dầu khí đặc biệt đối với các hệ thống đường ống dài hàng chục kilomet dưới đáy biển. Vì vậy, công tác tối ưu hóa - đảm bảo dòng chảy trong đường ống luôn được tiến hành thực hiện với mục đích xác định chế độ làm việc tối thiểu mà tại đó chất lưu vẫn có thể di chuyển được trong đường ống và tìm ra phương án hợp lý giảm thiểu hóa rủi ro trong quá trình vận hành, hình 1.1. Tối ưu hóa vận chuyển trong đường ống Giảm thiểu rủi ro Tiết kiệm chi phí xử lý (Lắng đọng paraffin, tắc nghẽn đường ống, hình thành nút khí …) (Hóa phẩm ức chế & giảm nhiệt độ đông đặc, phóng thoi …) Đảm bảo dòng chảy hoạt động tốt nhất có thể Hình 1.1 – Mục đích tối ưu hóa vận chuyển dầu khí trong đường ống SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 2 Luận văn tốt nghiệp Tổng quan tối ưu hóa vận chuyển dầu khí ____________________________________________________________________________ 1.3. Phương pháp tối ưu hóa Quá trình vận chuyển dầu khí trong đường ống chịu sự tác động bởi khá nhiều yếu tố từ bên trong lẫn bên ngoài đường ống. Vì vậy, để tìm ra phương pháp tối ưu hiệu quả hoạt động vận chuyển trong đường ống, mục tiêu tối ưu và các thông số kiểm soát quá trình tối ưu cần phải được xác định rõ. Sau đó, các phương pháp tối ưu sẽ được xây dựng dựa trên các mục tiêu và tình hình hoạt động thực tế của đường ống vận chuyển dầu khí. 1.3.1. Mục tiêu tối ưu hóa Đảm bảo dòng chảy hoạt động ổn định trong đường ống vận chuyển, giảm thiểu rủi ro, tối thiểu hóa chi phí vận hành. 1.3.2. Các thông số kiểm soát quá trình tối ưu hóa Quá trình đảm bảo dòng chảy này liên quan đến nhiều yếu tố về điều kiện vận hành như lưu lượng áp suất, nhiệt độ, lượng hóa phẩm sử dụng để giảm nhiệt độ đông đặc và độ nhớt của chất lưu. 1.3.3. Các phương pháp sử dụng cho quá trình tối ưu hóa Một trong những nhiệm vụ quan trọng trong quá trình vận chuyển dầu khí bằng đường ống là cải thiện các chế độ thủy lực (Hydraulic regime) dựa vào việc dự báo về các điều kiện nhiệt động lực học của chất lưu vận chuyển trong ống. Để thực hiện được điều này, nhiều phương pháp sử dụng cho quá trình tối ưu đã được nghiên cứu và ứng dụng như tăng áp suất vận chuyển, gia nhiệt và cách nhiệt dọc đường ống, xử lý dầu bằng hóa phẩm, khử các lớp lắng đọng trong đường ống (phóng thoi nạo vét ống, bơm dầu nóng, dùng nước nóng)… Nhưng trước khi các phương pháp này được đưa vào sử dụng, việc xem xét tình hình về điều kiện thực tế và lợi ích kinh tế phải được xem xét và kiểm tra thật kỹ lưỡng đối với các yêu cầu đặt ra cho mục tiêu tối ưu. Hiện nay, dựa trên tình hình thực tế đường ống kết nối từ mỏ Cá Ngừ Vàng đến giàn xử lý trung tâm số 3 mỏ Bạch Hổ, một số phương pháp được sử dụng để giải SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 3 Luận văn tốt nghiệp Tổng quan tối ưu hóa vận chuyển dầu khí ____________________________________________________________________________ quyết bài toán tối ưu hóa bao gồm cách nhiệt dọc đường ống, xử lý dầu bằng hóa phẩm, phóng thoi nạo vét đường ống. a. Cách nhiệt dọc đường ống Nhiệt độ dòng dầu thô có thể được duy trì và giảm thiểu sự tổn thất bằng các lớp bọc cách nhiệt, hình 1.2 & bảng 1.1. Với hệ số truyền nhiệt 1.913 W/m2K cho toàn bộ tuyến ống, các lớp bọc cách nhiệt được thiết kế sao cho nhiệt độ của hỗn hợp dầu khí nằm trên nhiệt độ hình thành tinh thể paraffin (WAT). Hình 1.2 – Các lớp bọc cách nhiệt đường ống vận chuyển CNV – CPP3 [9] SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 4 Luận văn tốt nghiệp Tổng quan tối ưu hóa vận chuyển dầu khí ____________________________________________________________________________ Bảng 1.1 – Các đặc tính cơ bản của đường ống vận chuyển CNV – CPP3 [9] Yếu tố thiết kế Steel Pipe 1st Layer of Coating 2nd Layer of Coating 3rd Layer of Coating 4th Layer of Coating 5th Layer of Coating Concrete Weght Coating Thông số Giá trị Đơn vị Đường kính ngoài 273.1 mm Bề dày 20.1 mm Vật liệu API 5L X65 - Độ dẫn nhiệt 45 W/mK Tỷ trọng 7850 kg/m3 Bề dày 0.15 mm Vật liệu FBE - Độ dẫn nhiệt 0.3 W/mK Tỷ trọng 1450 kg/m3 Bề dày 0.35 mm Vật liệu PP adhesive - Độ dẫn nhiệt 0.22 W/mK Tỷ trọng 1450 kg/m3 Bề dày 3.5 mm Vật liệu Solid Polypropylene - Độ dẫn nhiệt 0.215 W/mK Tỷ trọng 900 kg/m3 Bề dày 26 mm Vật liệu PU Foam Độ dẫn nhiệt 0.04 W/mK Tỷ trọng 165 kg/m3 Bề dày 4 mm Vật liệu Solid Polypropylene Độ dẫn nhiệt 0.215 W/mK Tỷ trọng 900 kg/m3 Bề dày 48.26 mm Tỷ trọng 2242.6 kg/m3 SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 5 Luận văn tốt nghiệp Tổng quan tối ưu hóa vận chuyển dầu khí ____________________________________________________________________________ b. Xử lý dầu bằng hóa phẩm Sử dụng hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc trong xử lý dầu (những chất làm giảm độ nhớt và ứng suất dịch chuyển tới hạn của dầu) – là phương pháp có nhiều triển vọng trong xử lý dầu nhiều paraffin để vận chuyển bằng đường ống. Ở nhiệt độ cao hóa phẩm cho vào dầu sẽ không làm thay đổi độ nhớt của dầu. Ảnh hưởng của hóa phẩm chỉ nhận thấy ở nhiệt độ thấp, khi mà trong dầu diễn ra sự hình thành cấu trúc các tinh thể paraffin. Hiện nay, chưa có quan điểm thống nhất về cơ chế hoạt động của những hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc. Tuy nhiên, đa số các nhà nghiên cứu đều nhận thấy sự hoạt động lưỡng tính của chúng: thứ nhất, những phần tử hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc cùng với paraffin tạo ra những tinh thể hỗn hợp, điều này dẫn đến cấu tạo của chúng thay đổi và ngăn chặn sự hình thành mạng lưới cấu trúc liên tục; thứ hai, những phần tử hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc đóng vai trò như những trung tâm mà xung quanh chúng paraffin bị tinh thể hóa tạo nên những hợp thể không liên kết được với nhau. Tính hiệu quả sử dụng hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc phụ thuộc vào bản chất hóa học của dầu. Không có loại hóa phẩm chung cho tất các loại dầu. Thực tế quan sát đã cho thấy những tính chất lưu biến của dầu mỏ CNV đã được cải thiện đáng kể khi chúng được xử lý bằng hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc. Khả năng giảm nhiệt độ đông đặc đối với dầu CNV ở khoảng 10 – 15 oC. c. Phóng thoi nạo vét đường ống (Pigging) Thực tế cho thấy quá trình vận chuyển dầu CNV bị ảnh hưởng bởi khá nhiều yếu tố như sự tổn hao nhiệt trong hệ thống đường ống vận chuyển dài, thành phần chất lưu phức tạp, nhiệt độ hình thành và đông đặc paraffin khá cao… gây ra nhiều khó khăn trong công tác xử lý và vận chuyển dầu khí. Khi các biện pháp phòng chống lắng đọng paraffin trong đường ống không đạt hiệu quả, biện pháp cơ học - phóng thoi nạo vét đường ống được thực hiện nhằm mục đích loại bỏ paraffin ra khỏi đường ống. SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 6 Luận văn tốt nghiệp Tổng quan tối ưu hóa vận chuyển dầu khí ____________________________________________________________________________ Từ đầu năm 2010 đến nay công ty Hoàn Vũ đã thực hiện phóng thoi định kỳ vào mỗi tháng và mỗi đợt thực hiện phóng 2 quả thoi: - Con thoi thứ nhất với đường kính là 8.5" mục đích quét những cặn sáp trong đường ống. Hình 1.3 – Hình dạng con thoi 8.5" - Con thoi thứ hai có nhiệm vụ quét đường ống và làm sạch một lần nữa với đường kính 9.25". Hình 1.4 – Hình dạng con thoi 9.25" Nguyên tắc hoạt động của con thoi: Dưới áp suất được thiết lập đẩy thoi ở phía sau, toàn bộ con thoi được nén theo chiều dọc đường ống và mở rộng hoàn toàn như một cái nêm vào đường ống. Dưới áp suất cao từ phía sau, chất lỏng sẽ phụt qua con thoi có tác dụng bôi trơn và làm mát con thoi, giúp con thoi giữ được đặc tính và hình dạng trong suốt quá trình di chuyển. Hành động phun này rất quan trọng, nó cũng giúp cho quá trình cắt các lớp cặn sáp trên đường ống, làm cho các lớp lắng đọng trên đường ống bị mềm, lỏng lẽo, trước khi con thoi quét qua. SVTH: Đỗ Xuân Hòa –MSSV: 30800690 7