Lớp cặn bên trong các đường ống dẫn dầu có thể dẫn đến nhiều vấn đề nghiêm trọng như suy giảm đường kính đường ống, ăn mòn và làm hỏng thiết bị khoan, giảm hiệu suất và giảm tuổi thọ các thiết bị,… Kỹ thuật sử dụng tia bức xạ gamma là kỹ thuật đo không xâm lấn (không phá hủy) phù hợp để xác định các lớp cặn đó. Trong nghiên cứu mới đây, các nhà khoa học đã phát triển một hệ thống thông minh để đo độ dày lớp cặn lắng trong các đường ống dẫn dòng ba pha hình khuyên. Phương pháp này dựa trên việc sử dụng kết hợp mạng xuyên tâm (RBF) và hệ thống phát hiện bức xạ (đầu dò) năng lượng kép. Các đỉnh bức xạ trong phổ năng lượng của 241Am và 133Ba được thiết lập trong hai thiết bị đầu dò và độ dày lớp cặn lắng của đường ống được đặt là đầu vào và đầu ra của RBF. Hệ thống đo trong dòng chảy ba pha này có thể là một công cụ đầy tiềm năng và có ứng dụng thiết thực trong các ngành công nghiệp dầu mỏ, hóa chất và hóa dầu.
Các lớp cặn lắng có chứa nhiều thành phần như vảy canxi, bari và stronti sulfat bên trong đường ống dẫn là một trong những vấn đề nghiêm trọng tác động đến ngành dầu khí. Mức độ cặn lắng có tác động trực tiếp đến năng suất, chất lượng, hiệu quả và tuổi thọ của các thiết bị vận hành, đường ống dẫn trong các nhà máy dầu khí. Hậu quả của những tác động đó có thể dẫn đến tình trạng nghiêm trọng như ngừng hoạt động khẩn cấp toàn bộ hệ thống, hỏng hóc thiết bị và giảm hiệu suất của thiết bị.
Ngay từ năm 2015, các nhà khoa học đã sử dụng đầu dò NaI với đồng vị phóng xạ 137Cs để quét cặn bẩn trong các đường ống dẫn. Kết quả thu được phổ gamma ở mỗi bước 0,5 cm và khẳng định quá trình kỹ thuật quét tia gamma có thể đánh giá sự hiện diện của cặn lắng trong đường ống dẫn chất lỏng một pha. Năm 2018, một nghiên cứu khác đề xuất cấu trúc hệ thống quét gồm ống thép, nguồn đồng vị phóng xạ 137Cs với thông lượng đẳng hướng và một đầu dò NaI. Phổ gamma đo từ trong ống được coi là đầu vào của ANN (mạng có dạng thần kinh nhân tạo), trong khi đầu ra là độ dày của thang đo. Phương pháp này ước tính được độ dày của cặn với độ lệch dưới 10%. Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã nghiên cứu khả năng xác định chế độ dòng chảy và xác định phần rỗng chứa khí trong dòng chảy hai pha mà không phụ thuộc vào lớp cặn trên mặt trong đường ống dẫn dầu bằng cách kết hợp kỹ thuật đo gamma và trí tuệ nhân tạo. Trong các tình huống thực tế, tồn tại dòng chảy hai hoặc ba pha với phần thể tích thay đổi bên trong đường ống dẫn dầu, điều này ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của máy đo độ dày sử dụng bức xạ.
Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo: (1) Tấm chắn bức xạ, (2) Nguồn phóng xạ, (3) Ống thép, (4) Lớp cặn, (5) Pha nước, (6) Pha dầu, (7) Pha khí, (8 ) Bộ dò truyền thứ nhất, (9) Bộ dò truyền thứ hai.
MCNP được sử dụng để tính toán mô hình hóa hệ thống đo sử dụng bức xạ. Để thu được nhiều thông tin hơn từ các vật liệu khác nhau bên trong ống, các nhà khoa học đã thiết lập một hệ thống bao gồm nguồn đồng vị bức xạ năng lượng kép (đồng vị 241Am và 133Ba) phát photon có năng lượng tương ứng là 59 và 356 keV và hai đầu dò NaI để ghi photon truyền qua. Bộ mô phỏng hệ thống đo được thiết lập có ống thép bán kính trong 10 cm, một lớp vỏ hình trụ bằng bari sunfat (BaSO4) có khối lượng riêng 4,5 g.cm3 và độ dày trong khoảng 0–2 cm trên thành bên trong của ống thép.
Các số đếm của đỉnh phát xạ từ đồng vị 241Am và 133Ba được ghi lại ở cả hai đầu dò sẽ cho số liệu về độ dày các lớp cặn và phần thể tích khác nhau. Khi độ dày của lớp cặn tăng, tín hiệu về dòng chảy bên trong đường ống sẽ giảm dần. Số đếm thiết lập ban đầu trên hai đầu dò được so với sự thay đổi độ dày của lớp cặn sẽ cho biết trạng thái thể tích của các thành phần khí, dầu và nước. Các thông tin đầu vào, đầu ra và dữ liệu đo được thể hiện dưới dạng biểu đồ hồi quy. Việc kiểm tra hiệu suất hệ thống được thực hiện bằng cách sử dụng các tập dữ liệu có sẵn.
Như vậy, sự kết hợp của mạng RBF và phương pháp tính toán vận chuyển bức xạ dựa trên Monte Carlo với nguồn 241Am và 133Ba từ hai đầu dò có thể xác định được độ dày lớp cặn của đường ống. Cho đến nay, đây là lần đầu tiên một hệ thống sử dụng bức xạ có khả năng đo độ dày của lớp cặn trong các đường ống dẫn dầu với dòng chảy ba pha khí-dầu-nước. Hệ thống đo lường mới này có thể được áp dụng như một công cụ tiềm năng trong các ngành công nghiệp khác nhau để đo độ dày lớp cặn của đường ống.
Từ khóa: gamma; đo độ dày; dầu khí; ống dẫn dầu; bức xạ;
– CMD&DND –
