Experimentation on Surge waves in Three Phase Pipe Flows

Abstract

Det er utført forsøk i flerfaselaboratoriet ved NTNU med enkeltbølger (“surge waves”) i olje-vann-luft strøm i rør. Studien er en oppfølging av et tidligere prosjektarbeid. Forsøkene ble utført ved så lave luftrater som mulig, for å muliggjøre stratifisering av olje-vann strømningen. Flere forsøk ble utført ved varierende vannkutt. Bølgene ble dannet ved at luft raten ble redusert en kort periode. Væske ble da akkumulert i et lavpunkt nær innløpet og en bølge ble dannet når luftraten ble økt igjen. Bølgen gikk deretter gjennom et horisontalt rør som var om lag 50 m langt.

Syv forsøk er rapportert i dette arbeidet. Forsøkene er gjort med reduserende væskerate. De fleste forsøkene viste et sett av to bølger. Den første bølgen vavr liten, med med lav amplitude og slak front. Den andre var større med skarpere front. Det kunne være vanskelig å avgjøre enden av bølgen, ettersom studien er visuelt basert. En bølge varte typisk mellom 10 to 25 sekunder gjennom røret. En bølge gjennom en rørledning kan vare over en time. Amplitudene til bølgene kunne gradvis bli redusert gjennom røret. Forsøk med høye vannkutt viste høye vannfraksjoner mot enden av bølgen. Det kan også tolkes som høyere oljefraksjoner i fronten. Høyere vannkutt gav også større bølger.

OLGA 2019.1 ble benyttet for evaluering av forsøkene. To-fase simuleringer fra et tidligere arbeid ble gjentatt med siste versjonen av OLGA. Fluid filer var tilgjengelig fra SINTEF. Bølgeformen fra siste OLGA versjon samsvarte bra med resultatene fra OLGA 7.1 and OLGA 7.3.5, men mindre bra med resultatene fra OLGA 2016.2.1. For bølgehastighetene var det mindre samsvar mellom alle OLGA versjonene. Beste samsvar med siste versjon var med OLGA 2016.2.1 HD.

Et forsøk med USG= 8.95 m/s, USL= 0.0144 m/s og vannkutt 37\% ble sammenlignet med OLGA 2019.1. Væskeakkumulering ble observert ved enden av røret under reduksjonen av luftraten. Denne ble blåst ut raskt etter økningen av luftraten igjen, i samsvar med laboratorieresultatene for dette tilfellet. To topper ble observert i bølgefronten, med den første mindre enn den andre. Toppene ble gradvis slått sammen ettersom bølgen propagerte gjennom røret. Den simulerte bølgen varte lenger enn den eksperimentelle, fra 60 til 85 sekunder. Dette kan også bety at bølgene i laboratoriet varte lenger enn det som ble anslått visuelt. Dette forsøket ble også simulert for vannkuttene 0\%, 50\% og 100\%. Bølgene ved disse strømningsratene gir inntrykk av å kunne vare for lengre rør.

Simulerte og målte bølgehastigheter ble sammenlignet. De målte bølgehastighetene var større enn de simulerte. Lave vannkutt viste bedre overenstemmelse for bølgehastigheter enn høyere vannkutt.

Det generelle inntrykket er at simuleringene viste samme trender som forsøksdata. Videre forsøk med trefasestrøm ville være nyttig om instrumentering for hurtig måling av trefase fraksjoner var tilgjengelig.

Surge waves are a common flow assurance phenomenon during multiphase transport in subsea systems. The challenge with these waves is that they are not easily predictable. The science behind the formation of these waves is not well understood. The formation and propagation of these waves in three-phase systems of air,oil and water is even more complex. This is the motivation behind this master thesis.

Experiments were performed in the NTNU multiphase laboratory to make a study on surge waves in three-phase flow. The technique used for the formation of three-phase surge waves in the laboratory was by manipulation of the air flow. Air flow rate was ramped down, accumulations occured at the lower points of the pipe, and then subsequently ramped up. Similar experiments to this were done previously during project work at NTNU multiphase laboratory. Modification of the test matrix was done by lowering air velocities and lowering liquid volume. This ensured maintenance of the stratified flow regime and absence of roll waves.

Seven cases were selected and are highlighted in this work. The cases were arranged in descending order of liquid mass flow rate. Most cases would form a set of two waves - an initial smaller wave with a smooth front and a larger wave that followed with a somewhat sharper front. There was difficulty in distinctly predicting the end of the waves since visual perception was used for determination. The waves would last between 10 to 25 seconds, with the period increasing as the wave propagated towards the end. In real cases, surge waves are known to last even for over an hour. The waves gradually decreased in amplitude as they flowed along the pipe. Cases with higher amounts of water in the liquid mixture distinctly showed water towards the end of the wave.

Water cut is a ratio of water produced out of total liquid. Varying water cuts were observed for a single case of U_SG = 8.95 m/s and U_SL = 0.0144 m/s. The water cuts were 0\%, 50\% and 100\%. It was found that with increasing water cut, the waves would increase in amplitude, meaning the oil wave amplitude is smaller than the water wave.

OLGA 2019.1 was applied for evaluation of some cases. Two-phase simulations performed in previous work by different versions of OLGA were replicated using the latest version. A fluid file was provided by SINTEF. The wave hold up results from OLGA2019.1 corresponded most with those from OLGA 7.1 and OLGA 7.3.5. The results from OLGA 2016.2.1 did not correlate well. For wave velocity results, there was very little correlation with older versions of OLGA. The closest correspondence was with OLGA 2016.2.1 HD result.

OLGA 2019.1 was applied to evaluate three-phase surge waves for the same case with U_SG = 8.95 m/s and U_SL = 0.0144 m/s. This case that was selected had a water cut of 37\%. One stand-out characteristic of the resulting plots was a large accumulation towards the end of the pipe during ramp down which was discharged soon after ramp up. This corresponded to laboratory data for that particular case. Two peaks were visible on wave fronts, with the first one smaller than the next. The two peaks blended in with each other as they moved along the pipe. Simulated waves lasted longer than the experiment waves, ranging from 60 seconds to 85 seconds. This could mean that the waves observed in the lab lasted much longer than what was perceived. This case was also simulated for different water cuts of 0\%, 50\% and 100\%. The behavior of the waves was indicative of them being able to last for longer lengths of pipeline.

Wave velocities for both experimental and simulated results were compared. Lower water cuts showed better correlation in wave velocity than higher water cuts. Generally, the simulated data highlighted similar trends to the experimental data. For further experimental work, it would be very useful with instrumentation for rapid three phase fraction measurements.