Multiphase Flow in Concentric and Eccentric Annulus Spaces

Den 20. april 2010 førte en eksplosjon og brann om bord på boreriggen Deepwater Horizon i Mexicogolfen til at 11 personer ble drept og havet ble forurenset med store mengder råolje. Etter to dager sank riggen og etterlot borerøret på havbunnen mens store mengder olje og gass lekket ut fra brønnen gjennom gapet mellom borerøret og selve borestrengen. Ulykken er kjent som Macondo-ulykken. Man ble veldig bekymret over den store mengden olje som ble sluppet ut i sjøen og tok livet av fisk, krepsdyr og sjøfugl. Størrelsen på utslippene har også spilt stor rolle i rettssakene og forhandlingene som fulgte der operatørselskapet BP til slutt måtte betale en bot på 18,7 milliarder dollar eller over 170 milliarder kroner. En av metodene som ble brukt til å anslå størrelsen på utslippet var å bruke et simuleringsprogram for rørtransport av olje og gass til å beregne utstrømningen ut fra hvor hyppig oljen strømmet støtvis ut på havbunnen. Det er alvorlige mangler i denne metoden. Den viktigste er mangelen på pålitelige modeller for strømning av olje og gass i annulus, det vil si det ringformede rommet mellom borestrengen og det ytre røret. Kommersiell programvare for simulering av transport av olje og gass i rørledninger mangler nøyaktige formler for strømningsforholdene i annulus, selv når strømningen inneholder bare gass eller væske. Når det strømmer både gass og olje i røret på en gang, såkalt flerfasestrømning, er modellene enda mer usikre. Design av olje- og gassbrønner er dermed basert på unøyaktige modeller som fører til stor usikkerhet og høye feilmarginer. Dette kan føre til ineffektiv brønnkonstruksjon og høy risiko for produksjonsproblemer. Prosjektet ANNULUS har brakt kunnskapen om dette til et nytt nivå og skaffet data og fysisk forståelse som kan brukes som grunnlag for å utvikle mer pålitelig programvare i framtida. Forbedrede modeller vil kunne brukes av operatørene og bidra til sikrere og mer effektive brønnoperasjoner slik at faren for ulykker kan bli redusert. Prosjektet er nå avsluttet og har produsert en mengde unike data som gir mye informasjon om mekanismene i denne type strømning og hvordan strømning av olje og gass i ringrom skiller seg fra strømning i vanlige rør. Vi har også utviklet en ny og unik beregningsmodell som beskriver strømningen matematisk. Vi har så langt holdt tre foredrag på vitenskapelige konferanser. Seks vitenskapelige tidsskriftartikler er publisert, ytterligere en er innsendt og en nesten ferdig.

The project has resulted in two spin-off projects with an oil major, where related but different conditions to the ones in the researcher project were studied. The impact of the work on society is more difficult to assess in the short term, but depends on the results being picked up by software companies as well as operators. The results should be well suited for developing commercial models that can be provided to the operators by the major software providers, but this depends on company priorities. If models are provided to the operators and deployed in their daily use, improved well design and operation should be possible, potentially enhancing safety in drilling and production as well as potentially contributing to increased public revenues from oil production.

"Annulus flow" often occurs in oil and gas wells where oil and gas flow between an inner and an outer pipe in the well. This type of flow is not well understood and has not been studied scientifically except in very simplified cases. Commercial software lacks ability to correctly predict annulus flow, and well design is based on rough models with large uncertainty. This may lead to bad well design, risk of production problems, and inability to model accident scenarios. This project will be led by IFE and include detailed experimental studies and theoretical and numerical modelling in close cooperation between IFE and UiO with one PhD student, one postdoc and three supervisors, and support from Imperial College. The experiments will be run in the medium scale, inclinable Well Flow Loop at IFE. This loop is transparent, allowing flow visualisation, and equipped with advanced instrumentation including a unique X-ray system. Annulus test sections will be built with adjustable eccentricity. The X-ray system will be modified to accommodate annulus geometry. The modelling/simulation part will pursue detailed simulations of two phase annulus flow through a combination of theoretical analysis and detailed CFD simulations using a research code from Imperial College. The models will be compared to the experimental data and are intended to aid development of future engineering models. IFE has more than 30 years of experience in developing models for multiphase pipe flow. ANNULUS will bring a step change in the knowledge in this field and provide data and theoretical understanding than can lead to better engineering models in the longer term. Improved models can be used by operators and contribute to safer and more efficient well operations. There is a strong commercial software industry in Norway for multiphase technology that can benefit from this new knowledge in the longer term, but right now the industry is unable to find funding for such high-risk fundamental research