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Theses Year : 2005

Modelling of the restart of a gelled waxy crude oil flow in pipelines

Modélisation du redémarrage des écoulements de bruts paraffiniques dans les conduites pétrolières

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Abstract

Pipelining crude oils that contain large proportions of paraffins can cause many specific difficulties. These oils, known as waxy crude oils, usually exhibit high ''pour point'', where this temperature is higher than the external temperature conditions surrounding the pipeline. During the shutdown, since the temperature decreases in the pipeline, the gel-like structure builds up and the main difficulty concerns the issue of restarting. This PhD attempts to improve waxy crude oil behaviour understanding thanks to experiment, modelling and numerical simulations in order to predict more accurately time and pressure required to restart the flow. Using various contributions to the literature, waxy crude oils are described as viscoplastic, thixotropic and compressible fluid. Strong temperature history dependence plays a prevailing role in the whole shutdown and restart process. Thus, waxy crude oils under flowing conditions correspond to the non-isothermal flow of a viscoplastic material with temperature-dependent rheological properties. Besides, the restart of a waxy crude oil is simulated by the isothermal transient flow of a weakly compressible thixotropic fluid in axisymmetric pipe geometry. We retain the Houska model to describe the thixotropic/viscoplastic feature of the fluid and compressibility is introduced in the continuity equation. The viscoplastic constitutive equation is involved using an augmented Lagrangian method and the resulting equivalent saddle-point problem is solved thanks to an Uzawa-like algorithm. Governing equations are discretized using a Finite Volume method and the convection terms are treated thanks to a TVD (Total Variation Diminishing) scheme. The Lagrangian functional technique usually used for incompressible viscoplastic flows, is adapted to compressible situations. Several numerical results attest the good convergence properties of the proposed transient algorithm. The non-isothermal results highlight the strong sensitivity of the flow pattern to the temperature changes in terms of yielded/unyielded regions. Then, the combined effects of compressibility and thixotropy have beneficial influence on the restart issue. In fact, a thixotropic flow, not able to start up in compressible situations, could be restarted thanks to compressibility. At last, comparison between numerical and experimental results allows to validate the numerical code.
Même si le transport par pipelines de bruts conventionnels reste relativement aisé, il devient plus problématique si le brut est composé d'un grand nombre de molécules hydrocarbonées comme les paraffines. Ces bruts paraffiniques ont la particularité d'avoir une température de prise en gel élevée, souvent supérieure à la température de l'environnement dans lequel il s'écoule. Lorsque l'écoulement dans la conduite est arrêté, la température diminue et entraîne la formation de bouchons de gel de plusieurs centaines de mètres. Après un long arrêt, il devient difficile de redémarrer l'écoulement. Le manque de compréhension des phénomènes impliqués lors du transport d'un brut paraffinique conduit à une surestimation des pressions de redémarrage et donc à un surcoût pour les compagnies pétrolières. Ainsi, ces travaux de thèse s'attachent à améliorer la compréhension du comportement d'un brut paraffinique et à enrichir sa modélisation afin que les simulations numériques prévoient des pressions et des temps de redémarrage plus précis. En faisant référence aux travaux théoriques, expérimentaux et numériques, il est décrit le comportement viscoplastique, thixotrope et compressible d'un brut paraffinique. Les propriétés thermiques et mécaniques liées à l'histoire du brut jouent un rôle essentiel sur le comportement du brut au redémarrage. Ainsi, le transport d'un brut paraffinique avant l'arrêt de la conduite correspond à l'écoulement stationnaire non-isotherme dans une conduite 2D axisymétrique d'un fluide viscoplastique dont les propriétés rhéologiques dépendent de la température. Le comportement d'un brut paraffinique au redémarrage est décrit par le déplacement d'un fluide viscoplastique, thixotrope et compressible par un autre fluide. Le caractère thixotrope est pris en compte par le modèle de Houska et la compressibilité est introduite dans le modèle de redémarrage. La loi de comportement est implémentée grâce à une technique de Lagrangien augmenté associée à un algorithme d'Uzawa afin d'appréhender sa non-dérivabilité. Les équations du problème sont discrétisées grâce à une méthode de Volumes Finis et un schéma TVD (Total Variation Diminishing) est utilisé pour traiter les termes de transport. La méthode de résolution habituellement utilisée pour les fluides viscoplastiques incompressibles est adaptée à des situations compressibles. Différents tests numériques sont menés et montrent les bonnes propriétés de convergence des algorithmes de résolution. Les résultats non-isothermes montrent la sensibilité des zones cisaillées/non-cisaillées aux variations de la température. L'influence des effets combinés de la thixotropie et de la compressibilité sur la capacité de redémarrage est également observée. Un fluide thixotrope incompressible ne pouvant être redémarré, peut être remis en écoulement si une compressibilité lui est ajoutée. Enfin, une étude comparative entre les résultats numériques et expérimentaux permet de valider le code numérique.
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Dates and versions

pastel-00001842 , version 1 (12-07-2006)

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Cite

Guillaume Vinay. Modélisation du redémarrage des écoulements de bruts paraffiniques dans les conduites pétrolières. Sciences de l'ingénieur [physics]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00001842⟩
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