Experimental characterization of pressure gradients and flow structure for viscous oil-water-air flows in horizontal pipes

Viscous oil-water-gas three-phase flows through a horizontal duct are of great importance in the petroleum industry. It is important to study them to correctly design pipelines and save money during extraction and transportation phases. Since a complete theoretical description of the flow has not been formalized yet, at least in a way that is practically usable, the experimental approach proves its fundamental importance for the comprehension of the phenomenon. Aimed at this, in the present work the flow of a viscous oil-water-gas mixture was investigated in a transparent Plexiglas® duct with a 40 mm internal diameter in terms of pressure drop. With the obtained data-set an empirical correlation was implemented that is able to predict the pressure gradient as a function of the gas phase superficial velocity within 10% error. Given the very significant influence that the gas flow has on the pressure drop and on the modifications of the flow structure, different technologies as a digital video camera and a couple of non-invasive optical probes were used to characterize it in terms of effective velocity, slugs frequency and length. The experimental effective gas phase velocity was also used to check and extend the validity of two-phase empirical correlations for void fraction prediction, reporting good agreement for the most simple ones.

Data la rilevanza dei fluidi multifase composti da olio viscoso acqua ed aria nel campo dell’oil and gas, il loro studio è attualmente di grande importanza. Infatti una completa conoscenza del comportamento fluidodinamico di queste miscele consente un’adeguata progettazione delle condutture per il trasporto degli stessi oltre a notevoli guadagni a livello economico riscontrabili sia in fase di estrazione che in quella di trasporto della miscela. Poichè attualmente non è disponibile una descrizione analitica del comportamento di questi fluidi tale da poter essere utilizzata per risolvere i problemi rimasti aperti, la ricerca sperimentale rimane fondamentale per poter meglio comprendere il fenomeno. Questa è stata anche la finalità del presente lavoro, durante il quale sono state eseguite prove sperimentali su una conduttura in Plexiglas® avente diametro interno di 40mm. I risultati delle campagne sperimentali dedicate all’indagine delle perdite di carico della miscela lungo la stessa hanno consentito di formulare una correlazione empirica capace di predirne il valore in funzione della velocità superficiale della fase gassosa, con un errore massimo del 10%. Data l’importanza che la fase gassosa ha dimostrato di avere sull’andamento delle perdite di carico e sul modificarsi della struttura stessa del flusso si è decido di caratterizzarla in termini di velocità effettiva del gas, frequenza dei fiotti e loro lunghezza adoperando due diversi strumenti: una video camera digitale e una coppia di sensori ottici installabili esternamente al condotto. Inoltre la velocità effettiva del gas così ricavata è stata utilizzata anche per calcolare un valore sperimentale della frazione di vuoto e confrontarlo con quello previsto da correlazioni empiriche per miscele bifase, verificando un’ottima concordanza tra i risultati ottenuti nei casi in cui sono state considerate le correlazioni più semplici proposte dalla letteratura.