Vì việc thăm dò và sản xuất dầu khí ngoài khơi đòi hỏi những cách thức mới để nâng cao hiệu quả vận hành và cải thiện khả năng phục hồi các bể chứa dầu, nên cáp quang đang được xem xét kỹ hơn. Cáp quang được biết đến với khả năng mang tốc độ dữ liệu cao hơn trên khoảng cách xa hơn so với cáp đồng. Khi hoạt động khoan ngoài khơi tiếp tục di chuyển vào vùng nước sâu hơn và giếng sâu hơn, các nhà khai thác đang theo đuổi thông tin và phân tích theo thời gian thực về cả giếng riêng lẻ và toàn bộ chuỗi sản xuất từ giếng đến phân phối đến bề mặt hoặc giàn khoan trên đất liền.
Việc xử lý dưới biển và tăng cường giám sát toàn bộ hệ thống đồng nghĩa với việc tạo ra nhiều dữ liệu hơn, khiến băng thông cao và khoảng cách truyền dài hơn của sợi quang trở nên hấp dẫn hơn. Càng thu thập được nhiều thông tin trên toàn hệ thống thì việc phân tích càng trở nên phức tạp hơn. Dữ liệu không chỉ cung cấp một bức tranh rõ ràng, theo thời gian thực về các điều kiện hiện tại mà còn tạo cơ sở cho mô hình dự đoán phức tạp.
Ngoài việc giúp hoạt động hiệu quả hơn, việc giám sát và phân tích như vậy còn giúp các công ty tăng lợi tức đầu tư. Hệ thống cáp quang thường có chi phí lắp đặt đắt hơn so với hệ thống điện tương tự, nhưng chi phí ban đầu cao sẽ được bù đắp bằng khoản tiết kiệm từ hiệu quả sản xuất lâu dài.
Các công ty đang nhận thấy rằng hiệu quả hoạt động tăng lên, khả năng thu hồi dầu khí ngày càng tốt hơn và quản lý mỏ dầu vượt trội mang lại khả năng hoàn vốn nhanh chóng. Bất kỳ phân tích nào về chi phí/lợi ích của sợi so với đồng sẽ phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và mỏ dầu. Phản hồi kinh tế từ các nhà khai thác là thông tin đáng hoan nghênh nhưng hiếm khi được đưa ra để bảo vệ tính bảo mật của hoạt động.
Cảm biến dựa trên sợi quang thụ động
Sợi quang cũng đang trở nên hấp dẫn hơn trong việc theo dõi thường xuyên và thu thập nhiệt độ, áp suất và các dữ liệu khác.
Sợi quang vượt trội trong việc tạo ra các hệ thống cảm biến phân tán. Trong trường hợp này, sợi quang chính là cảm biến. Những thay đổi về áp suất hoặc nhiệt độ sẽ thay đổi cấu hình tán xạ ngược, cho phép đo có độ chính xác cao bằng cách theo dõi ánh sáng tán xạ ngược. Vì vận tốc ánh sáng trong sợi quang đã được hiểu rõ nên ánh sáng tán xạ ngược tiết lộ thông tin cả về độ lớn của phép đo lẫn vị trí của nó dọc theo chiều dài của sợi.
Cảm biến phân tán dựa trên sợi quang hiện được sử dụng phổ biến trong ngành dầu khí ngoài khơi cho một số ứng dụng:
• Để giám sát các hồ chứa và truy xuất dữ liệu trong giếng để hiểu rõ hơn về những gì đang xảy ra trong giếng
• Để phát hiện rò rỉ đường ống
• Để đo nhiệt độ và ngăn chặn sự hình thành hydrat trong đường ống làm nóng bằng điện
• Để theo dõi biến dạng cấu trúc cơ học và nhiệt độ trong ống đứng/dòng chảy linh hoạt
Hệ thống cảm biến dưới biển trở nên hoàn toàn thụ động, loại bỏ nhu cầu cung cấp năng lượng cho các cảm biến điện. Sợi cũng có thể được sử dụng làm cảm biến âm thanh trong thăm dò địa chấn.
Sợi quang không nhất thiết phải là câu trả lời phổ quát. Ví dụ, trên các ứng dụng giám sát hồ chứa, hệ thống cáp quang không thay thế được hệ thống thông tin liên lạc điện tiêu chuẩn—ngoại trừ nhu cầu nhiệt độ khắc nghiệt từ 150°C trở lên, nơi các cảm biến làm bằng đồng không thể tồn tại được. Mặc dù vậy, hệ thống cáp quang vẫn cung cấp khả năng cảm biến bổ sung và bổ sung.
Bất chấp những lợi thế của công nghệ sợi quang về khả năng truyền tải thông tin và cảm biến, việc áp dụng công nghệ này trong sản xuất dầu dưới biển vẫn chưa nhanh chóng như các ngành công nghiệp khác. Sợi quang được coi là mỏng manh nhưng thực tế chúng rất bền. Khi áp dụng các biện pháp lắp đặt được khuyến nghị, hệ thống cáp quang có thể tuân thủ yêu cầu chung của ngành là tuổi thọ tối thiểu 30 năm mà không cần bảo trì. Do đó, độ tin cậy là tương đương, ngay cả khi thiết bị phải chịu được các điều kiện môi trường dưới nước sâu và trong giếng. Ở mực nước sâu, nhiệt độ thường nằm trong khoảng từ 0 đến 3°C, trong khi nhiệt độ ở tầng nước sâu có thể lên tới 200°C.
Mục tiêu thiết kế cho các hệ thống nước sâu được triển khai ở độ sâu lên tới 15.000 feet có thể chịu được áp suất thủy tĩnh của nước biển là 6.600 psi và áp suất đầu giếng là 20.000 psi. Hệ thống cáp quang dưới biển và lỗ khoan
Có một giải pháp cáp quang đầu cuối từ dưới lên trên là một giải pháp khả thi. Hình 1 thể hiện một hệ thống điển hình. Hệ thống trên đỉnh giếng được gọi là “cây Giáng sinh” vì nhiều hệ thống này giống với cây thông Noel. Cây Giáng sinh có thể được sắp xếp theo chiều dọc (bên trái hình) hoặc theo chiều ngang (bên phải hình). Với cả hai cấu hình, nhu cầu kết nối vẫn như nhau: những gì được gọi ở bên phải cũng giống như ở bên trái.
Do hạn chế về kích thước và trọng lượng, việc triển khai các hệ thống dưới biển ngoài khơi được thực hiện theo nhiều giai đoạn. Đây là lý do tại sao các hệ thống thông minh dưới biển sử dụng cảm biến sợi quang, cáp và các giải pháp kết nối (hộp nối, đầu nối khô và đầu nối ướt).Chức năng chính của sự kết hợp các hệ thống này là cung cấp tính liên tục quang học giữa các cảm biến sợi quang được lắp đặt trong giếng hoặc trên các hệ thống thu thập dữ liệu dưới đáy biển và trên đỉnh. Chức năng thứ yếu nhưng quan trọng hơn là ngăn chặn áp suất để đảm bảo tính toàn vẹn của hệ thống trước các môi trường khắc nghiệt bên ngoài. Để dễ dàng cài đặt, cần có Đầu nối cáp quang để cung cấp liên kết quang giữa các mô-đun dưới biển. Các hệ thống thường được triển khai dưới dạng các mô-đun riêng biệt được tích hợp dưới đáy biển. Đầu nối có thể kết nối khô được sử dụng trong mô-đun hoặc giữa các mô-đun đã được lắp ráp phía trên. Chúng không được thiết kế để giao phối dưới nước, mặc dù chúng chịu được nước dưới biển và áp lực trong khi giao phối. Như được thấy trong Hình 2, các đầu nối dry-mate sẽ quen thuộc với người sử dụng các đầu nối hình tròn quân sự/hàng không vũ trụ vì họ sử dụng các ống nối gốm chính xác.
Các đầu nối chịu được ướt có thể được nối ở mặt trên, nhưng mục đích chính của chúng là được kết nối dưới biển sau khi triển khai bằng phương tiện vận hành từ xa (ROV), thợ lặn hoặc hệ thống truyền động. Chúng cho phép các mô-đun được kết nối với nhau tại chỗ. Đầu nối ướt có thiết kế phức tạp hơn đầu nối khô. Phải duy trì một bề mặt kín cho cả đầu nối nối tiếp và không nối tiếp, đây là thách thức đối với áp lực nước sâu.
Để duy trì khả năng cách điện trong suốt quá trình vận hành và trong suốt tuổi thọ thiết kế, đầu nối được đổ đầy dầu và cân bằng áp suất. Cơ cấu bàng quang hoặc piston cân bằng áp suất bên trong của đầu nối với áp suất nước bên ngoài. Điều này cho phép không có sự chênh lệch áp suất giữa các vòng đệm và cần gạt nước.
Liên quan đến đầu nối quang là các thiết bị xuyên sợi quang, đã được phát triển để đạt được tính toàn vẹn bịt kín từ môi trường bên ngoài hoặc để tách các buồng khác nhau trong khi cung cấp khả năng truyền qua quang học. Thiết bị xuyên thấu được đánh giá có khả năng chịu được áp suất chênh lệch—5.000 psi, 10.000 psi và 15.000 psi—khi được liên kết với áp suất bể chứa.
Khi có thể, các mô-đun dưới biển được cân bằng áp suất—tức là, chất lỏng được đổ đầy, với chất lỏng được điều chỉnh ở cùng áp suất biển như bên ngoài mô-đun. Điều này cho phép các bức tường mỏng hơn, giảm trọng lượng và độ tin cậy cao hơn vì các vòng đệm không cần phải chịu được áp suất chênh lệch. Một số mô-đun, chẳng hạn như mô-đun chứa thiết bị điện tử hoặc các thiết bị khác, không thể chịu được áp suất cao hơn áp suất khí quyển.
Do đó, thiết bị xuyên thấu sợi quang được sử dụng để ngăn các mô-đun bị ngập trong nước. Trên các thiết bị khác, chẳng hạn như máy bơm dưới biển và đầu giếng, có khả năng chịu áp lực đóng hồ chứa, mức áp suất có thể lên tới 15.000 psi khi kết hợp với nhiệt độ cao.
Chất xuyên thấu phục vụ một chức năng quan trọng đối với môi trường. Lỗi quang học có nghĩa là mất khả năng cảm biến, nhưng lỗi cơ học sẽ giải phóng chất lỏng từ giếng ra môi trường.
Cáp chắc chắn bảo vệ sợi
Mặc dù sợi có độ bền kéo cao để chịu được lực kéo dọc nhưng chúng có thể dễ dàng bị đứt hoặc hư hỏng nếu không được bảo vệ đúng cách. Do đó, cáp quang thường có lớp bọc thép riêng. Trong khi sợi aramid thường được sử dụng, các thiết kế chắc chắn hơn đòi hỏi phải có lớp bọc kim loại. Áp suất ứng dụng thủy tĩnh cao có thể làm tăng sự suy giảm trong sợi quang. Ba cách tiếp cận sau đây có thể được sử dụng:
Sợi trong ống thép (FIST) - Điều này đặt sợi vào ống thép không gỉ rắn để bảo vệ chống lại áp suất thủy tĩnh, nhiệt độ cao và môi trường ăn mòn. Bao bì FIST là một thiết kế dạng ống lỏng, có thể chứa một số sợi được giữ lỏng lẻo trong ống và được bọc trong gel. Vì các sợi “nổi” trong ống nên chiều dài của sợi dài hơn ống một chút để đảm bảo độ căng thấp. Công nghệ FIST là phương pháp đơn giản nhất và có chi phí thấp nhất, đồng thời duy trì độ căng ở mức thấp trên sợi bằng cách khử ứng suất trên ống. Nếu cáp bị giãn trong quá trình lắp đặt hoặc sử dụng, sợi thừa có thể chịu được độ giãn mà không bị căng. Thiết kế dạng ống lỏng cũng có khả năng chịu được sự thay đổi nhiệt độ cực cao nhưng ít phù hợp hơn với các ứng dụng chắc chắn nhất như độ sâu cực cao và chiều dài cáp. FIST cũng cung cấp bao bì mật độ cao gồm nhiều sợi trong ống và trong số ba lựa chọn, đây là lựa chọn dễ kết thúc nhất.
Bọc thép LIGHT-LIGHT – Tùy chọn này sử dụng các sợi thép cày có kích thước chính xác được bố trí đồng tâm xung quanh bộ đệm sợi để bảo vệ sợi khỏi bị đứt.
Áo giáp ĐIỆN TỬ – Điều này tương tự như áo giáp THÉP-LIGHT nhưng sử dụng đồng thay cho thép. Đồng cũng có thể được sử dụng làm nguồn điện để cho phép thiết kế cáp composite với đường kính ngoài nhỏ hơn.
Các phần tử sợi THÉP-LIGHT và ELECTRO-LIGHT đều là những phương pháp đệm chặt cho bao bì. Bộ đệm chặt chẽ, tuy yêu cầu chế tạo cẩn thận hơn, nhưng lại mang lại hiệu suất tốt hơn trong các ứng dụng có tính năng động cao và là lựa chọn chắc chắn nhất. Lớp bọc thép STEEL-LIGHT là loại chắc chắn nhất, được thiết kế để chịu được áp suất thủy tĩnh 10.000 psi.
Một tương lai tươi sáng cho chất xơ
Những bất ổn gần đây trên thị trường dầu mỏ làm nổi bật sự cần thiết phải tăng hiệu quả sản xuất. Công nghệ phát triển không chỉ nâng cao sản lượng dầu khí mà còn cung cấp khả năng tiếp cận các nguồn tài nguyên mới để quản lý và kéo dài tuổi thọ của mỏ dầu ngoài khơi. Thông tin được cung cấp bởi các cảm biến mang đến cho người vận hành cái nhìn sâu sắc chưa từng có về các điều kiện và cho phép điều chỉnh hoạt động theo thời gian thực và lập mô hình dự đoán dài hạn.
Các hệ thống thí điểm cáp quang thành công đã được triển khai trong thập kỷ qua, cung cấp dữ liệu có giá trị và mang lại hiệu suất quang học ổn định ở áp suất và nhiệt độ cao. Việc áp dụng rộng rãi là bắt buộc vì cáp quang là một công cụ tuyệt vời để đáp ứng những thách thức thăm dò và phục hồi hiện tại và tương lai.
Thời gian đăng: 24-09-2019