Chương 1. Giới thiệu về dòng chảy trong giếng, lịch sử nghiên cứu, những ứng dụng của mô hình dòng chảy nhiều pha và những vấn đề còn tồn tại xây dựng mô hình giếng khai thác ở Cửu Long JOC Chương 2 : Giới thiệu cơ sở lý thuyết, những bước cơ bản để thiết lập mô hình dòng chảy một pha và nhiều pha trong giếng.Xây dựng mô hình dòng chảy trong ống nâng cho giếng khai thác mỏ Báo Đen, với các bước tính toán chi tiết cho mô hình cơ học. Dùng phương pháp thiết kế thực nghiệm và phân tích phương sai để hiệu chỉnh dữ liệu PVT và mô hình tổn thất áp suất phù hợp với dữ liệu đo PLT. Ứng dụng mô hình đã hiệu chỉnh cho các giếng khác và để theo dõi tình trạng hoạt động, dự báo khai thác.
Cuối cùng là kết luận và kiến nghị cho các nghiên cứu phát triển tiếp theo 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Nêu ra bản chất các phương pháp xây dựng mô hình dòng chảy nhiều pha trong giếng, phân tích ảnh hưởng của các thông số thực nghiệm từ đó từ đó gợi ra hướng tiếp cận để phát triển mô hình dòng chảy trong giếng theo phương pháp cơ học xvi - Ý nghĩa thực tiễn Thông thường trong quá trình thiết kế cũng như theo dõi trạng thái hoạt động của giếng khai thác chúng ta thường sử dụng những mô hình dòng chảy có sẵn và gần nhất với dữ liệu đo thực tế. Tuy nhiên những mô hình đó chỉ đúng trong những điều kiện thực nghiệm nhất định nên đôi khi sai số là rất lớn. Vì vậy mô hình sẽ phải được hiệu chỉnh để giảm sai số tới mức nhỏ nhất, từ đó áp dụng vào theo dõi hoạt động và dự báo khả năng khai thác chính xác hơn.
TỔNG QUAN VỀ DÒNG CHẢY TRONG CÁC GIẾNG KHAI THÁC DẦU KHÍ 1. Giới thiệu chung Đối với dòng chảy đơn pha trong ống khai thác thì việc tính toán các thông số cũng như là tổn thất áp suất là tương đối dễ dàng. Tuy nhiên khi có sự xuất hiện của pha thứ hai thì vấn đề trở nên rất phức tạp, việc nghiên cứu thủy động lực học của dòng chảy gặp nhiều khó khăn. Để đánh giá chính xác được tổn thất áp suất ta cần phải biết được chế độ dòng chảy với các điều riêng biệt, sự chuyển tiếp từ chế độ dòng chảy này qua chế độ khác.
Hiện tại, các chế độ dòng chảy được phân chia thành 5 dạng cơ bản :dòng chảy dạng bọt khí, dạng bọt khí phân tán, dạng nút khí, dạng khuấy và dạng vành xuyến Khi chất lỏng có vận tốc thấp thì chất khí được sinh ra trong dầu bị phân tán như các bong bóng riêng biệt. Chế độ dòng chảy này được gọi là dòng chảy dạng bọt khí. Khi vận tốc của pha lỏng tăng lên các bong bóng này tăng kích thước do sự tích tụ của các bọt khí nhỏ với nhau. Cuối cùng pha khí được phân tán như là các bọt khí trong pha lỏng liên tục.
Khi tăng vận tốc dòng chảy của pha khí, khi đó các bọt khí sẽ kết tụ lại với nhau tạo thành bọt khí lớn hơn, dài hơn và có dạng hình nón, gọi là bọt khí Taylor. Dòng chảy dạng nút gồm có bọt khí Taylor, chúng bị tách biệt trong vùng dòng chảy dạng bọt khí được gọi là nút, và một lớp chất lỏng bao quanh bọt khí Taylor có xu hướng chảy xuống. Tiếp tục tăng vận tốc của pha khí, các bọt khí và nút khí bị biến dạng nhiều và xuất hiện sự hòa lẫn vào nhau, khi đó ta có dòng chảy dạng khuấy. Sự khác biệt giữa dòng chảy dạng nút khí và dòng chảy khuấy là màng chất lỏng bao quanh nút khí sẽ không xuất hiện ở dòng chảy khuấy.Chế độ dòng chảy vành xuyến có đặc điểm là màng chất lỏng trải quanh thành ống bao bọc phần lõi khí bên trong, lõi khí này có thành phần khí chuyển động với vận tốc cao và trong lõi khí còn có những giọt chất lỏng nhỏ.
Do lõi khí có vận tốc chuyển động lớn hơn đã tạo ra lực tác động làm cho màng chất lỏng chuyển động đi lên.1 Các chế độ dòng chảy trong giếng 1. Lịch sử nghiên cứu về dòng chảy nhiều pha Trong lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ khai thác dầu khí, đã có rất nhiều nghiên cứu về dòng chảy đa pha và đã đạt được nhiều thành tựu to lớn được áp dụng tới ngày nay. Brill và Airachakaran chia các thời kì nghiên cứu phát triển của mô hình dòng chảy làm 3 giai đoạn 1. Giai đoạn thực nghiệm (1950-1975) Hầu hết các nhà nghiên cứu đầu tiên đều sử dụng dữ liệu từ các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và một vài bộ dữ liệu của một số mỏ.
Những dữ liệu này gồm có lưu lượng thể tích của khí và lỏng và tính chất vât lý của mỗi pha, đường kính ống, độ nghiêng của ống, áp suất tại đầu vào và ra. Trong một vài trường hợp các chế độ dòng chảy được quan sát và đo được tỉ lệ lỏng bằng cách sử dụng hệ thống có van cầu đóng nhanh. Lưu chất được xem như hỗn hợp đồng nhất. Tuy nhiên pha khí và pha lỏng được xem là di chuyển với vận tốc khác nhau, hiệu ứng trượt pha cũng được tính đến qua các tương quan thực nghiệm.
Các biểu đồ kiểu dòng chảy thực nghiệm cũng được sử dụng, chúng dựa trên các nhóm các đại lượng không thứ nguyên. Các phương trình tính tổn thất áp suất được phát triển dựa trên các định luật bảo toàn động lượng và khối lượng ứng 3 dụng đối với hỗn hợp đồng nhất và trong điều kiện dòng chảy ổn định. Tổn thất ma sát đựa vào công thức dòng chảy đơn pha, chuẩn số Reynolds được sử dụng rộng rãi. Một số nhà nghiên cứu sử dụng hệ số nhân để tính đến sự gia tăng của hệ số ma sát khi có mặt pha thứ 2.
Từ đầu những năm 1970, theo khuynh hướng ngành công nghiệp dầu khí đã sử dụng một vài tính chất vật lý cơ bản đã được sử dụng trong một vài ngành công nghiệp khác. Đặc biệt có tính chính xác trong dự đoán kiểu dòng chảy và ảnh hưởng của bọt khí làm tăng vận tốc của hỗn hợp. Hai bài báo về đề tài “dòng chảy đa pha trong ống ngang” của Dukler & Hubbard và của Tailel & Duker trình bày một cách rõ ràng mô hình cơ học của dòng chảy dạng nút chất lỏng và dự đoán chế độ dòng chảy đã được sử dụng. Thông thường kết quả của giai đoạn thực nghiệm là việc thu thập những tương quan thực nghiệm có độ chính xác bị hạn chế bởi thiếu các tính chất vật lý cơ học.
Thậm chí khi những tính chất cơ học là hoàn chỉnh, những nghiên cứu của họ cũng bị cản trở bởi độ chính xác của các dụng cụ thí nghiệm, thời gian thực tế cũng như dữ liệu thu thập được từ hệ thống. Giai đoạn nhận thức 1970-1985 Quan hệ thực nghiệm được sử dụng để dự đoán gradient áp suất , cùng với sự xuất hiện của máy tính cá nhân trong những năm đầu 1980, sự phát triển nhanh của những dụng cụ thí nghiệm có giá trị trong kỹ thuật dầu khí. Và các công ty đều có các chương trình máy tính để dự đoán tổn hao áp suất trong giếng và trong đường ống dẫn. Sự kết nối giữa giếng và vỉa thông qua đường IPR.
Brown đã đưa ra khái niệm về NODAL hay còn gọi là phân tích hệ thống khai thác. Nhưng đáng tiếc, người ta nhận thấy có quá nhiều vấn đề với những phương pháp đã dùng. Người ta nhận thấy các biểu đồ về chế độ dòng chảy không phù hợp. Trước đây người ta nghĩ rằng kiểu dòng chảy chuyển tiếp phụ thuộc chủ yếu vào lưu lượng ( hay tốc độ bề mặt), nhưng thực tế nó cũng phụ thuộc nhiều vào các thông số khác đặc biệt là góc nghiêng của ống.
Và tương quan tỉ lệ lỏng cho các mô hình trước đây đều không phù hợp. Những giả thiết cho hỗn hợp đồng nhất là quá đơn giản. Rõ ràng rằng vấn đề không phải là bao nhiêu dữ liệu thu thập được trong phòng thí nghiệm hoặc từ các dữ liệu từ các mỏ, sự chính xác của dự đoán không thể phát triển nếu không đưa vào nhiều hơn các tính chất cơ học vật lý cơ bản. Giai đoạn mô hình hóa (1980 đến nay) 4 Từ đầu những năm 1980, những thử thách của ngành công nghiệp dầu khí đòi hỏi phải có hiểu biết nhiều hơn về dòng chảy nhiều pha.
Và giai đoạn này trở thành giai đoạn mô hình hóa. Hàng triệu USD được đầu tư vào các nghiên cứu về dòng chảy đa pha tại các tập đoàn ở Mỹ, Nauy, Anh và Pháp. Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng việc phát triển những hiểu biết về dòng chảy nhiều pha cần phải kết hợp cả lý thuyết và thực nghiệm. Kĩ thuật thí nghiệm phức tạp được thực hiên bằng cách sử dụng những dụng cụ thí nghiệm mới cho phép đo những biến số quan trọng.
Các dụng cụ thí nghiệm kĩ thuật tiên tiến được đưa vào để tăng tính chính xác và giảm thiểu sai số như: mật độ kế hạt nhân, sóng siêu âm, bộ cảm biến điện dung, máy đo gió laser, và nhiều bức ảnh kĩ thuật tốc độ cao mới. Máy tính ghi dữ liệu bằng phần cứng và phần mềm cũng phát triển. Phân tích các dữ liệu thu được đã phát triển sự hiểu biết sâu hơn và rộng hơn về mức độ phức tạp của tính chất cơ học động lực tồn tại trong suốt quá trình dòng chảy hai pha vận động. Những hiểu biết quan trọng này đã làm thay đổi và phát triển các mô hình cơ học tốt hơn để mô tả các hiện tượng vật lý xuất hiện.
Một cải tiến quan trọng trong mô hình cơ học dòng chảy ổn định là việc dự doán chế độ dòng chảy cho tất các góc nghiêng. Điều này mở đường cho các mô hình cải tiến cho mỗi chế độ dòng chảy, bao gồm việc có thể liên kết các mô hình khác nhau qua một tiêu chuẩn về chế độ dòng chảy thống nhât. Ozon, Hasan & Kabir, Ansari, Xiao, Chokshi và những người khác đã công bố những nghiên cứu toàn diện về mô hình cơ học. Những nỗ lực của họ là đánh giá các mô hình với dữ liệu thực tế của mỏ để xác nhận mô hình được tiếp cận chính xác hơn những tương quan thực nghiệm.
Hơn nữa có thể tiếp tục cải tiến các mô hình cơ học khi các nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành dựa trên các cơ chế chính của dòng chảy nhiều pha.
