Étude numérique de l'écoulement multiphasique dans les conduites horizontales et inclinées

Numerical Investigation of Multiphase Flow in Horizontal and Inclined Flowlines

• Auteur / Autrice : Nsidibe Sunday
• Direction : Nicolas Gascoin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 23/03/2023
• Etablissement(s) : Bourges, INSA Centre Val de Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Gascoin, Valérie Burklé-Vitzthum, Amina Meslem, Abdelhakim Settar, Kadarsah Suryadi, Jean-Louis Rossi, Khaled Chetehouna, Mame Jean Pierre William-Louis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Burklé-Vitzthum, Amina Meslem

Mots clés

Mots clés libres

Schéma d'écoulement

Pression

Transfert de chaleur

Flow pattern

Pressure

Heat transfer

Résumé

Alors que la quête d'hydrocarbures s'approche des nouvelles frontières dans un environnement sous-marin difficile et hostile. Le coût énorme de la gestion des problèmes d'assurance de l'écoulement dans les puits sous-marins, les conduites d'écoulement et les colonnes montantes, en particulier dans les applications en eaux profondes, a nécessité une approche proactive pour prévenir le risque d'apparition de ces problèmes. Pour s'assurer que le transport des hydrocarbures est économique et efficace depuis la tête de puits sous-marine jusqu'aux unités de traitement, un système de gestion de la chaleur pour l'assurance de l'écoulement est pertinent dans la conception et la planification d'un système de transport des fluides. Par conséquent, l'avancement des nouvelles technologies pour répondre aux besoins croissants en explorant l'environnement sous-marin hostile et technologiquement difficile est d'une grande importance. Les chiffres de l'étude ont montré la nécessité d'une recherche scientifique dans le domaine du chauffage actif.Ce travail se poursuit à ce stade. Il étudie et étend un modèle biphasé tridimensionnel concernant différents aspects. Pour ce faire, le solveur biphasique interFoam du code source OpenFoam est utilisé. Pour commencer, les propriétés hydrodynamiques de différents modèles dans les lignes d'écoulement sont étudiées en analysant un écoulement diphasique tridimensionnel de gaz et de liquide dans une ligne d'écoulement horizontale. InterFoam, un solveur diphasique transitoire, a d'abord été modifié pour mettre en œuvre le modèle k-ε à faible nombre de Reynolds (LRN) dans le code OpenFOAM. Ce modèle de turbulence LRN k-ε est utilisé pour résoudre les phénomènes de turbulence dans les mélanges de gaz et de liquide. L'écoulement diphasique est calculé en utilisant le solveur développé basé sur l'approche Volume de fluide (VOF). Les résultats des modèles d'écoulement à différentes vitesses superficielles du gaz et du liquide sont validés par les données expérimentales de la littérature. Ensuite, trois modèles Navier-Stokes moyennés par Reynolds (RANS) ont été utilisés pour les calculs : LRN k-ε, standard k-ε, et le modèle Shear Stress Transport k-omega (SST k-ω). Les résultats numériques générés sont comparés aux données expérimentales obtenues et aux modèles mécanistes.En outre, la structure de l'écoulement huile-eau rapportée dans la littérature est complètement différente de celle de l'écoulement gaz-pétrole et cette distinction est attribuée au faible effet de flottabilité et à la grande capacité de transfert de quantité de mouvement dans les écoulements huile-eau. Pour découvrir les caractéristiques de l'écoulement huile-eau, un modèle mathématique 3D de l'écoulement newtonien huile-eau dans des conditions non isothermes est établi pour explorer les mécanismes complexes du transport diphasique huile-eau et du transfert de chaleur dans la ligne d'écoulement horizontale et inclinée. Dans ce travail, un modèle d'écoulement diphasique non isotherme est d'abord modifié, puis implémenté dans le solveur InterFoam en introduisant l'équation d'énergie à l'aide d'OpenFOAM®. Les modèles d'écoulement et les coefficients de transfert de chaleur locaux (HTC) pour l'écoulement diphasique huile-eau à différentes inclinaisons des lignes d'écoulement (0°, +4°, +7°) sont validés par les résultats de la littérature expérimentale et les erreurs relatives sont également comparées. Le modèle a également été utilisé pour vérifier l'effet de la coupe d'eau d'entrée et de l'inclinaison des lignes d'écoulement sur les régimes d'écoulement, et les résultats ont été validés dans la littérature avec un niveau de précision élevé. Une analyse de sensibilité globale est ensuite menée pour déterminer l'effet des différents paramètres sur les performances des systèmes d'hydrocarbures diphasiques produits pour un transport efficace des fluides sous-marins.

As the quest for hydrocarbon approaches the next frontiers in a challenging and hostile subsea environment. The enormous cost of handling the challenges of flow assurance in subsea wells, flowlines, and risers, especially in deepwater applications, has necessitated a proactive approach to prevent their risk of occurrence. To ensure that the transportation of the hydrocarbon is economical and efficient from the subsea wellhead to the processing units, a flow assurance heat management system is relevant in the design and planning of a fluid transport system. Therefore, the advancement of new technologies to serve the increasing need by exploring the technologically challenging and hostile subsea environment is of great significance. The figures from the study showed the need for scientific research in the field of active heating.This work continues at this point. It investigates and extends a three-dimensional two-phase model regarding different aspects. For this purpose, the two-phase solver interFoam in the OpenFoam source code is employed. To begin with, the hydrodynamic properties of different models in flowlines are investigated by analyzing a 3-D two-phase gas and liquid flow in a horizontal flowline. InterFoam a transient two-phase solver was first modified to implement the Low Reynolds Number (LRN) k-ε model in the OpenFOAM code. This LRN k-ε turbulence model is utilized to resolve the turbulence phenomena within the gas and liquid mixtures. The two-phase flow is calculated by using the developed solver based on the Volume of Fluid (VOF) approach. Results of the flow patterns at different superficial gas and liquid velocities are validated by the experimental data in the literature. Afterward, Three Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) models were used for computations: LRN k-ε, standard k-ε, and the Shear Stress Transport k-omega (SST k-ω) models. Generated numerical results are compared with obtainable experimental data and mechanistic models.Furthermore, the oil-water flow structure reported in the literature is completely different from that of gas-oil flow and this distinction is attributed to the small buoyancy effect and large momentum transfer capacity in the oil-water flows. To find the features of the oil-water flow, a 3D mathematical model of oil-water Newtonian flow under non-isothermal conditions is established to explore the complex mechanisms of the two-phase oil-water transportation and heat transfer in the horizontal and inclined flowline. In this work, a non-isothermal two-phase flow model is first modified and then implemented in the InterFoam solver by introducing the energy equation using OpenFOAM®. The LRN k-ε turbulence model is utilized to resolve the turbulence phenomena within the oil and water mixtures. The flow patterns and the local heat transfer coefficients (HTC) for two-phase oil-water flow at different flowlines inclinations (0°, +4°, +7°) are validated by the experimental literature results and the relative errors are also compared. The model was also employed to ascertain the effect of input water cut and flowline inclinations on the flow regimes, and the results were validated in the literature with a high accuracy level. Global sensitivity analysis is then conducted to determine the effect of the different parameters on the performance of the produced two-phase hydrocarbon systems for effective subsea fluid transportation.Thereafter, HTC and flow patterns for oil-water flows at a flowline inclination ranging from -10° to +10° can be predicted by the model