SUM - Scaling and Uncertainty Modelling in multiphase production

Flerfasemodellering er en av flere, store suksess-historier fra norsk oljeutvinning. Teknologien medførte til dels enorme besparelser på feltutvikling, i tillegg til at den muliggjorde tilknytning av satellittfelt gjennom undervannsutbygginger med flerfasetransport til en plattform eller til land. Arbeidet med utvikling av flerfasesimulatorene begynte i 1980 og var opprinnelig basert på en matematisk modell av kjølekretsen i IFEs atomreaktor i Halden. Moderne flerfasesimulatorer er avhengige av tilpasning til målte data, enten fra felt eller fra laboratorier. Spesielt data fra laboratorier er ofte gjenstand for debatt da skalaen på disse eksperimentene er til dels veldig forskjellig fra feltskala. En av utfordringene er at relevante laboratoriedata er svært kostnadskrevende slik at de fleste eksperimentene er utført på redusert skala og med enkle modell-fluider som diesel eller white-sprit, med Nitrogen eller SF6 som gass-fase. SUM-prosjektet har etablert matematiske skaleringslover og vist at relevante eksperimenter kan utføres på liten skala, med noen forutsetninger. Dette gjør at relevante laboratorieeksperimenter vil kunne utføres til betydelig reduserte kostnader for industrien. Innenfor fagfeltet flerfasemodellering er det gjort til dels lite for å kvantifisere usikkerhet i beregningene, som inkluderer numeriske feil, skala-effekter, eksperimentelle feil og menneskelige faktorer, bare for å nevne noen. Prosjektet SUM har utviklet matematiske modeller for usikkerhet i flerfasesimulatorer. Resultatene vil kunne redusere risiko og dermed kostnader for fremtidige feltutbygginger. Prosjektet har vært et samarbeid mellom IFE, SINTEF og NTNU, samt industripartnerne Equinor, Lundin, Eni (Vår Energi), Gassco, Ledaflow, Schlumberger, TechnipFMC og Norges Forskningsråd.

Methods for uncertainty quantification have been studied 1) through experiments, 2) from experimental data into models and 3) through modelling in multiphase flow applications. A postdoctoral candidate has performed experiments, using a defined scaling principle for multiphase flow and compared results with experimental data from different scales. The scaling principle is improved defining the necessary variables to match for a good comparison. IFE and SINTEF have contributed with their knowledge on the development of advanced engineering models for multiphase flows and investigated further the concern of uncertainty. NTNU's group for biomechanics have contributed with complementary competence on uncertainty quantification for mathematical models through the PhD candidate. The project results demonstrate the necessity of understanding the effect of the uncertainty and their propagation in the models, and how specific variables in multiphase flow have more impact than others.

The project application SUM covers two important and unresolved topics in multiphase flows; scaling and uncertainty. Cooperation between IFE, SINTEF and NTNU will provide a new combination of competence for increasing the confidence in multiphase flow modelling, looking more thoroughly into these topics. Scaling and uncertainty have been in focus in internal projects in the institutes individually, and it is the first time they are put together in a larger context. By assembling existing and new multiphase flow data from laboratories at different scale, we will improve the understanding of specific parameters in scaling rules. Previous studies have shown the importance of matching density ratio for scaling purposes, and new studies may establish knowledge of the importance of other parameters as the interfacial tension. Even if uncertainty quantification in computations and simulation tools has surged over the last 10-15 years, little work has been done in the context of multiphase flow in pipelines. We aim here to define a systematic methodology for assessing uncertainties in 1D simulation tools for multiphase pipe flow, with focus on scaling effects. IFE and SINTEF are world leading contributors to fundamental and applied knowledge of multiphase flows, and have a very successful record in the development of advanced engineering models for multiphase flow in pipelines and wells. Both institutes have world leading multiphase flow laboratories that have been greatly improved through the National Infrastructure of Multiphase Flow. This project is therefore well aligned with the strategies of the institutes, giving a unique opportunity to improve the model activities involving the important topics scaling and uncertainty.