NEXFLOW - Next generation oil-water flow models in production technologies

Ved produksjon av olje og gass blir såkalt flerfasestrømning brukt for å transportere olje, gass og vann i samme rørledning inn til produksjonsanlegg. Fremtidens flerfasetransportsystemer må kunne håndtere lengre distanser, høyere vannproduksjon, komplekse strømningseffekter som resultat av produksjonskjemikalier og blanding av brønnstrømmer og må tilfredsstille kravet om energieffektive løsninger. Håndtering og prediksjon av olje-vann dispersjoner i slike rørledninger er en av de store utfordringene som må løses for å realisere framtidige feltutbygginger med høyere energieffektivitet og reduserte kostnader. Hovedmålet av NEXFLOW er å øke kunnskap om oppførselen av olje-vann dispersjoner i transportprosessen. I dette prosjektet ble strømningseksperimenter brukt for å studere ulike petrofysiske fluidegenskaper på en systematisk måte, og avansert instrumentering ble brukt for å karakterisere strømningen på både makro og mikro skala. Nytt kunnskap ble skapt generert og nye modeller utviklet for å predikere oppførselen av dispersjoner i strømmende systemer. Nye, forenklede metoder ble utviklet og testet for å karakterisere dispersjon og måle parameter som er viktig som input til de utviklete korrelasjonene. Nye korrelasjoner er nødvendig for å forbedre eksisterende flerfasesimulatorer. Disse blir brukt som et hovedverktøy i planleggings-, design- og driftsfasen, men er per i dag ikke i stand til å korrekt predikere dispersjonsoppførsel i strømmende systemer. Forbedringene vil tilrettelegge for utvikling av lengre transportledninger og nye transportstrategier for et bredere omfang av produksjonsbetingelser, blant annet på grunn av økt levetid fra små satellittfelt. Prosjektet var et samarbeid mellom de norske partnerne SINTEF, NTNU og TotalEnergies EP Norge, som fokuserte på strømningsproblematikken. Et brasiliansk partnerprosjekt med ISDB Flowtech, PUC Rio og ESSS utforsket dannelse og stabilitet av dispersjoner i produksjons-systemer. Jevnlige status møter med involvering av alle partnerne ble gjennomført. Årlige besøk av våre partnerne i Brasil ble arrangert og resultatene presentert på November konferansene i Rio de Janeiro som ble arrangert av Forskningsrådet. To forsøkskampanjer ble gjennomført i prosjektperioden. En 200 m lang strømningssløyfe med unik instrumentering ble brukt for å undersøke overgangen fra separert til dispergert strømning, i tillegg til strømningsutvikling nedstrøms miksingen påført av en strupeventil. Instrumenteringen inkluderte målinger av blant annet trykkfall, fase-fordeling over rørtverrsnittet, visualisering av strømningen, dråpestørrelser og veggfuktings-egenskaper. Den første kampanjen fokuserte på viskositetseffekter ved å teste 3 oljer med ulik viskositet. Den andre kampanjen studerte effekten av surfaktant, kjemikalier i lav dose som stabiliserer dråpeoverflaten i dispersjoner. Naturlig surfaktant ble injisert i form av små mengder tungolje i en modellolje for å etterligne den komplekse kjemien av ekte produksjonssystemer uten å endre de fysiske egenskapene. Høyere råoljekonsentrasjon førte til en klar økning av trykkfallet i rørledningen. I tillegg ble separasjonen betydelig forsinket når strømningen ble dispergert av en strupeventil ved innløpet av testseksjonen. En tydelig forskjell ble funnet ved sammenligning med tilsvarende forsøk med den syntetiske surfaktanten Span 83. Mens råolje førte til en gradvis separasjon, ble en plutselig separasjon et stykke nedstrøms strupeventilen målt for den syntetiske surfaktanten. Ulike karakteriseringsmetoder for dispersjoner ble også utviklet og testet. En spesialutviklet benkskala reologi rigg ble brukt for å undersøke effekten av ulike parametere på den effektive viskositeten og på friksjonsreduserende fenomener i dispersjoner, to mekanismer som ikke er godt forstått og typiske mangler i strømningsmodeller for dispersjoner. Benkskala forsøkene kunne bekrefte oppførselen som ble observert i flowloop-kampanjene. I tillegg ble spesielle autoklaveforsøk (røretank) brukt for å generere dispersjoner og studere dynamiske endringer i dråpestørrelse og separasjon ved plutselige endringer i blandeintensiteten. Igjen så var resultatene sammenlignbar med oppførselen i rørstrømning. En steady-state dispersjonsmodell ble utviklet som tar hensyn til både turbulens og tyngdeforskjellen mellom dispergert og kontinuerlig fase. Modellen bruker dråpestørrelse som input parameter og er i stand til å predikere detaljerte konsentrasjonsprofiler (fordeling av dråper) i røret. Prediksjonene stemte veldig bra overens med eksperimentelle målinger. Gjennom dette arbeidet kunne vi utvikle korrelasjoner for to hovedmekanismer som styrer medrivning av dråper/bobler/partikler i strømning: turbulent diffusjon og gravitasjonsdrevet bevegelse. Resultatene ble publisert i open-access journalartikler og presentert på internasjonale konferanser.

The project has generated new knowledge about, new experimental data, new experimental test methods and new models for oil-water dispersion flow. The project results have clearly improved our knowledge about flow behaviour in the presence of oil-water dispersions. In particular understanding of the stability of dispersions in production pipelines and the influence of surface stabilizing chemicals (surfactants) on the dispersion stability and resulting flow behaviour has been extensively improved.This is important for evaluating the impact when introducing new production chemicals or producing fluids from new discoveries. The experimental test methods and setups applied in this project may be further developed and used in other projects or applications. In particular the developed bench scale characterisation methods for oil-water dispersions may be offered as a service for testing of production fluids and for deriving fluid specific input parameters for multiphase flow simulators. This will help to better tune models to field specific conditions and finally reduce uncertainty in predictions. The experimental data created in the project is unique with respect to the degree of detail and reliability. This is a result of the advanced instrumentation and size of the flow loop used. This data will serve as background for further research and development and finally improvement and verification of new multiphase flow models. New model correlations created and published during the project period are available for implementation in commercial and open source flow simulators. In fact, data and model approaches created in NEXFLOW were already successfully used in other projects aiming on improving and implementing new models in commercial Multiphase Flow simulators, such as LedaFlow. Further, the developed model concepts and frameworks have successfully been modified towards prediction of gas bubble flow and may be used for other particle flow. Main impact of the project will be a contribution to better planning and development of future oil fields, and in particular developments requiring long transport distances. It is expected that over 80% of future field developments on the NCS will be tie-back solutions with long multiphase transport distances (e.g. satellite fields and marginal discoveries far off existing infrastructure) (OG21 strategy document). Reduced uncertainty when predicting the expected pressure drop and flowability in such developments will improve the design and operational strategy considerably. This will result in improved energy-efficiency, reduced chemical consumption and more accurate cost estimates.

This proposal is submitted for the joint call between FINEP-RCN together with ISdB Flowtech as the Brazilian partner. Oil-water dispersions play an important role in the oil and gas production system as they have a direct effect on the pressure drop in transport lines. Reliable pressure drop predictions and multiphase flow model capabilities in general will lead to higher energy efficiency and cost reductions, and facilitate the development of longer transport lines and tiebacks. This will enable extended lifetime of fields, which during later years of production are exposed to low recovery rates and high water production. Risks of flexible field development concepts involving tie-in production from satellite fields will be reduced by reducing uncertainty of transport models and understanding of well-stream compatibility effects on flow characteristics. State-of-the-art models and commercial simulators are not fully predictive as effects of complex fluid chemistry and its interaction with the hydrodynamics of the flow are not represented. Currently, no physical mechanisms or model input parameters exist to account for the effects of surface chemistry, stability of interfaces and evolution of droplet sizes. Based on novel experimental methods closures for dispersion behavior will be developed. The main project result will be improved understanding of oil-water flow in transport pipelines. Unique pipe flow experiments with advanced measurement techniques will be conducted, to close the gaps in the current understanding. These data, together with the derived dispersion characteristics, can be used for dispersion flow model development and verification. The research topic is part of SINTEF's strategic institute commitment and builds on work from a strategic institute project at SINTEF. One PhD will be educated in the project. The PhD student will be encouraged to co-supervise at least 1 master student per year (both specialization project and master thesis).