Enabling non-disruptive production conditions - slug flow with surfactants

Målet for dette kunnskapsprosjektet er å øke forståelsen av "slugstrømning", ett utfordrende strømningsfenomen som ofte kan oppstå når væske og gass transporteres i samme rørledning, spesielt i aldrende olje og gass felt slik som på norsk sokkel. Slugstrømning kjennetegnes av lange eller korte væske plugger som strømmer gjennom røret mellom store gasslommer, og fører til en pulserende strøm av vekselvis væske og gass. I tillegg til sykliske mekaniske belastninger, skaper ett slikt strømningsregime også problemer for mottaks- og videreformidlingsfasiliteter på land, offshore og Subsea. Operatører må i større grad enn vanlig regulere prosessen, og separatorer og prosessutstyr kan bli overveldet av den varierende tilførselen av olje og gass. Dette kan igjen føre til skade på utstyr, midlertidig nedstigning av prosessen og økt bruk av gassbrenning med fakkel. Eksisterende modeller for slugstrømning er i stor grad basert på forsøk under idealiserte forhold og enkle fluider, for eksempel vann og luft forsøk i korte rør. I dette kunnskapsprosjektet vil vi se på mer realistiske fluidsystemer som inkluderer effekter av fluidkjemi spesielt med tanke på overflatespenning. Overflatespenning er en kraft som bestemmer formen og styrken av overflaten mellom ulike fluider og gasser, og som derfor bestemmer hvor lett gass og væske blander og skiller seg og danner bobler og skum. Slugstrømning med stor andel av innblandet gass er ett hovedfokusområde for dette prosjektet. I tillegg til å være lite studert i tidligere forskning, tror vi denne type slug strømning fører til spesielt lange og uregelmessige olje slugger som igjen fører til spesielt krevende operasjonelle forhold og belasting på utstyr. Forsøkene i prosjektet vil blir utført på SINTEF sitt Flerfaselaboratorium på Tiller i Trondheim. Her kan komplekse fluidsystemer kan bli testet og detaljene i slugstrømningen kan bli kvantifisert av avanserte målesystemer.

Slug flow regimes will become more frequent in the NCS in the future as it is most commonly observed when flow rates decrease. Slug growth is also promoted by the current field developments involving long tie-ins, e.g. in the arctic regions. Properly controlling and handling slugs can reduce the need for gas flaring which reduces the environmental impact and the CO2 emissions. The structural stability of the sub-sea components due to fatigue is a major concern for the oil companies. Operation under slug flow regime is considered as the worst case scenario from a structural and an operational point of view. Further, unforeseen long slugs can cause damage and flooding of separators. And finally, slug frequency has a direct impact on corrosion. The existing slug flow models are weak because they are (a) largely based on experiments in short pipes, and (b) do not sufficiently consider realistic fluid chemistry e.g. the presence of surfactants and therefore significant gas buildup within the liquid slugs. This project will work towards reliable predictions of slug flow based on representative experiments. Our goal is to enable non-disruptive production conditions in relation to slug flow with realistic fluid chemistry through pragmatic model developments. We will concentrate our research on gas entrainment and surface chemistry effects, since our hypotheses leads us to believe that these factors are critical to accurately characterize slug flow in real applications with regards to slug length and frequency. The experimental part of the research will be carried out in a series of experiments at the low pressure flow loop at SINTEFs Multiphase flow laboratory at Tiller (Trondheim). SINTEF Petroleum will be the project owner and will work in close cooperation with SINTEF Materials and Chemistry, NTNU and the international research partner HZDR (Germany). One PhD candidate will be educated as part of the project.