Υπολογιστική διερεύνηση πολυφασικής ροής υγρών-αερίων-στερεών σε κατακόρυφους αγωγούς μεγάλου μήκους και εφαρμογή σε εγκαταστάσεις εξόρυξης πετρελαίου

Abstract

The aim of the present doctoral thesis is the computational investigation of the multiphaseflow formed inside the DIFIS system during its use for prompt intervention in cases of offshoresubsurface blowouts.The DIFIS system consists of an inverted funnel (dome), which initially collects the leakingmixture, a riser tube and a buffer bell. It was originally designed for intervention in cases ofleakage from shipwrecks, based on the difference between oil and sea-water densities, whichcreates the necessary buoyancy in order to channel the leaking oil through the riser tubetowards the buffer bell.In cases of underwater blowouts, the presence of natural gas in the leaking mixture incombination with the highly increased flow rates compared to shipwrecks, as well as theexistence of sea-currents that can drift the mixture out of the system, necessitate a revision ofthe dimensions and the position of the system, in order to ensure trouble-free operation. Thetypes of two, three and four phase flows developed in the interior are examined, with thepresence of sea-water and quantities of oil, methane and methane hydrates.In the first stage, a preliminary study is carried out, using a theoretical model based onhomogeneous two-phase water-oil flow, and then two-dimensional axisymmetric and threedimensionalcomputational simulations were conducted, in which 4 types of oil of differentproperties were studied.Then, for a more detailed study of the system, two indicative types of oil are selected, foundin the Gulf of Mexico (Mars crude oil) and in the Norne field (Svale crude oil), 200 km off theNorwegian coast, in order to initially examine the position in which the system should beplaced, taking into account for the first time, the conditions of sea-currents which are presentin the region of the leaking point, in order to ensure the absorption of the leaking mixture. For amore accurate estimation of the required configuration of the system’s bottom section, so thatit can respond to the typical conditions of the leakage, the following are examined: The break-up mechanisms and the subsequent lateral expansion of the leaking jetduring its rise. The effect of sea-currents on the trajectory of the leaking mixture. The flow configuration in the interior of the dome after inserting it at a lower height.A dimensional analysis of the leaking jets is performed and then the trajectory analysis,based on empirical relationships that have emerged from a sufficient number of experimentalresults for all cases of leakage and the results were compared with those of the correspondingsimulations. The observed intense drift, in combination with the existence of a unique leakingpoint, after the intervention in the area of the accident and the placement of a BOP (BlowoutPreventer), leads to a re-evaluation of the dimensions and the position of placement of thedome.Then, the two-phase flow of sea-water - oil and three-phase sea-water - oil - methane isstudied, in the interior of the riser tube. Three-dimensional numerical simulations for bothtypes of oil were performed for three different cases of leaking rate, in the first meters of theriser tube and the aim is to examine the ability of the system to absorb them. The resultspresent the distribution of the phases in the interior of the riser tube, the developed mixturevelocity as well as its correlation with the presence of secondary phases, while new flowpattern maps are constructed, describing the mixture behaviour through the presentation ofthe flow areas and the conditions under which they occur. In addition, a comparison is made ofthe modelling of the maps with appropriate theoretical models of two-phase flow, it isproposed a new model for the demarcation between the two observed flow areas, andanalyses the interconnection between the deformation rate of the flow by breaking up thestructure of the secondary phases.Finally, are examined the temperature distributions in the interior of the riser tube, and ismodelled the creation of methane hydrates via User Defined Function, for the simulation offour phase flow of sea-water - oil - methane - hydrates and investigate the possibility of flowblockage.In the Appendix, is presented the procedure for the selection of the suitable turbulencemodel for the computational investigation, additional results concerning the pressuredistribution in the interior of the riser tube, the code describing the conversion of methane intohydrates (User Defined Function) and an alternative proposal for operation of the buffer bell,with the use of air injection method for the transportation of the accumulated oil.The main objective of the computational investigation of the multiphase flow inside the DIFISsystem is the extension of its use as a system for the prevention of pollution of the marineenvironment in cases of underwater blowouts, with application directly at the point of theaccident.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η υπολογιστική διερεύνηση τηςπολυφασικής ροής που δημιουργείται στο εσωτερικό του συστήματος DIFIS κατά τη χρήση τουως σύστημα έγκαιρης επέμβασης σε περιπτώσεις υπεράκτιων υποθαλάσσιων εκρήξεων.Το σύστημα DIFIS, αποτελείται από την ανεστραμμένη χοάνη, η οποία συλλέγει αρχικά τοδιαρρέον μίγμα, τον αγωγό ανύψωσης και μια αποθηκευτική δεξαμενή. Είχε αρχικά σχεδιαστείγια την επέμβαση σε περιπτώσεις διαρροών από ναυάγια, βασιζόμενο στη διαφοράπυκνοτήτων μεταξύ του πετρελαίου και του θαλασσινού νερού, η οποία δημιουργεί τηναπαραίτητη άνωση ώστε να οδηγηθεί το πετρέλαιο ελεγχόμενα μέσω του αγωγού ανύψωσηςστην αποθηκευτική δεξαμενή.Στις περιπτώσεις υποθαλάσσιων εκρήξεων, η παρουσία φυσικού αερίου στο διαρρέονμίγμα σε συνδυασμό με τους ιδιαίτερα αυξημένους ρυθμούς ροής σε σχέση με τα ναυάγια,καθώς και η ύπαρξη θαλάσσιων ρευμάτων που μπορούν να παρασύρουν το μίγμα εκτόςσυστήματος, καθιστούν αναγκαία την αναθεώρηση των διαστάσεων και της θέσης του,προκειμένου να εξασφαλισθεί η απρόσκοπτη λειτουργία του. Εξετάζονται τα είδη διφασικής,τριφασικής και τετραφασικής ροής που αναπτύσσονται στο εσωτερικό με την παρουσίαθαλασσινού νερού και ποσοτήτων πετρελαίου, μεθανίου αλλά και υδριτών μεθανίου.Σε πρώτο στάδιο, πραγματοποιείται προκαταρκτική μελέτη με τη χρήση θεωρητικούμοντέλου βασισμένου στην ομογενή διφασική ροή νερού - πετρελαίου και κατόπιν διδιάστατηαξονοσυμμετρική και τρισδιάστατη υπολογιστική προσομοίωση, στις οποίες μελετώνται 4 είδηπετρελαίου διαφορετικών ιδιοτήτων.Στη συνέχεια, για την αναλυτικότερη μελέτη του συστήματος επιλέγονται δύο ενδεικτικοίτύποι πετρελαίου που συναντώνται στον κόλπο του Μεξικού (Mars crude oil) και στο πεδίοNorne (Svale crude oil), ανοικτά των Νορβηγικών ακτών και εξετάζεται αρχικά η θέση στηνοποία πρέπει να τοποθετηθεί το σύστημα, λαμβάνοντας υπόψη για πρώτη φορά τις συνθήκεςθαλασσίων ρευμάτων που επικρατούν στο σημείο της διαρροής, προκειμένου ναεξασφαλισθεί η απορρόφηση του διαρρέοντος μίγματος.Για την ακριβέστερη εκτίμηση της απαιτούμενης διαμόρφωσης του κάτω μέρους τουσυστήματος ώστε να μπορεί να ανταποκριθεί στις τυπικές συνθήκες του σημείου διαρροής,εξετάζονται: Οι μηχανισμοί διάσπασης και η μετέπειτα πλευρική επέκταση της διαρρέουσας δέσμηςκατά την άνοδό της. Η επίδραση των θαλάσσιων ρευμάτων στην τροχιά της διαρρέουσας δέσμης. Η διαμόρφωση της ροής στο εσωτερικό της ανεστραμμένης χοάνης μετά τηντοποθέτησή της σε χαμηλότερο ύψος.Πραγματοποιείται διαστατική ανάλυση δέσμης και στη συνέχεια ανάλυση της τροχιάς μεβάση εμπειρικές σχέσεις που έχουν προκύψει από ικανό αριθμό πειραματικώναποτελεσμάτων για όλες τις εξεταζόμενες περιπτώσεις διαρροής και τα αποτελέσματασυγκρίθηκαν με αυτά των αντίστοιχων προσομοιώσεων. Η παρατηρούμενη έντονη εκτροπή, σεσυνδυασμό με την ύπαρξη μοναδικού σημείου διαρροής ύστερα από την επέμβαση στηνπεριοχή του ατυχήματος και την τοποθέτηση BOP (Blowout Preventer), οδηγεί στηνεπανεκτίμηση των διαστάσεων και της θέσης τοποθέτησης της ανεστραμμένης χοάνης.Στη συνέχεια, μελετάται η διφασική ροή θαλασσινού νερού - πετρελαίου και η τριφασικήθαλασσινού νερού - πετρελαίου - μεθανίου στο εσωτερικό του αγωγού ανύψωσης.Πραγματοποιούνται τρισδιάστατοι αριθμητικοί υπολογισμοί για τα δύο είδη πετρελαίου καιτρεις διαφορετικές περιπτώσεις διαρροής για το καθένα, στα πρώτα μέτρα του αγωγού, μεστόχο να διαφανεί η δυνατότητα του συστήματος να τις απορροφήσει.Παρουσιάζονται αποτελέσματα που αφορούν την κατανομή των φάσεων στο εσωτερικότου αγωγού ανύψωσης, την αναπτυσσόμενη ταχύτητα μίγματος καθώς και τη συσχέτισή τηςμε την παρουσία των δευτερευουσών φάσεων, ενώ κατασκευάζονται ροϊκοί χάρτες πουαναπαριστούν τη συμπεριφορά του μίγματος μέσω της αποτύπωσης των περιοχών ροής καιτων συνθηκών στις οποίες εμφανίζονται. Επιπλέον, γίνεται σύγκριση των ροϊκών χαρτών μεκατάλληλα θεωρητικά μοντέλα διφασικής ροής, προτείνεται ένα νέο μοντέλο για τηνοριοθέτηση μεταξύ δύο παρατηρούμενων ροϊκών περιοχών και αναλύεται η διασύνδεσημεταξύ του ρυθμού παραμόρφωσης της ροής με τη διάσπαση των δομών των δευτερευουσώνφάσεων.Τέλος, εξετάζονται οι θερμοκρασιακές κατανομές που διαμορφώνονται στο εσωτερικό τουαγωγού ανύψωσης και μοντελοποιείται η δημιουργία υδριτών μεθανίου μέσω User DefinedFunction, για την προσομοίωση της τετραφασικής ροής θαλασσινού νερού - πετρελαίου -μεθανίου - υδριτών και τη διερεύνηση της πιθανότητας φραγής της ροής.Στο παρατιθέμενο Παράρτημα, παρουσιάζεται η διαδικασία επιλογής του κατάλληλουμοντέλου τύρβης για την υπολογιστική διερεύνηση, συμπληρωματικά αποτελέσματααναφορικά με την κατανομή πίεσης στο εσωτερικό του αγωγού ανύψωσης, η συνάρτησημετατροπής του μεθανίου σε υδρίτες (User Defined Function) και μια εναλλακτική πρότασηλειτουργίας της αποθηκευτικής δεξαμενής του συστήματος με τη χρήση μεθόδου έγχυσηςαέρα για τη μεταφορά του συσσωρευμένου πετρελαίου.Στόχος της υπολογιστικής διερεύνησης της πολυφασικής ροής στο εσωτερικό τουσυστήματος DIFIS είναι η επέκταση της χρήσης του ως μηχανισμό πρόληψης της ρύπανσης τουθαλάσσιου περιβάλλοντος σε περιπτώσεις υποθαλάσσιων εκρήξεων, με εφαρμογή κατευθείανστο σημείο του ατυχήματος.