Simulation of gas-liquid flows in the presence of foam

Among the major natural gas pipeline problems water accumulation has been found of significant importance: to limit liquid loading issues, deliquification of the wellbore by means of surfactants injection is a promising alternative to the consolidated mechanical methods. However, the macroscopic behaviour of foam flow in pipes has been little investigated and the studies on the latter are mainly of experimental nature. The goal of this work is to simulate air-water-foam flow in horizontal pipes using through an industrial software. OLGA by Schlumberger, which is the industry standard tool for transient simulation of multiphase petroleum production, has been adopted to assess the capability to predict pressure gradient and holdup. The results are presented as a comparison against the experimental setups of Fasani, consisting of a 60 mm internal diameter pipeline, and Peruch, consisting of a 30 mm internal diameter pipeline. First, two-phase air-water flow, two-phase water-oil and three-phase air-water-oil setups were considered to set a reference and to analyse OLGA performance on standard fluid flow. The results obtained give a correct prediction of the pressure gradients if the flow rate is correctly framed: whenever the flow rate is erroneously simulated, the pressure drops are not correctly predicted. Then, air-water-foam flow was investigated, considering only the stratified flow experimental conditions. Since the software requires direct insertion of mass flow rates of each equivalent phase but only air and water ones were provided, foam local velocity distribution is required and three different trends were implemented: uniform, linear, turbulent. Foam rheology has been considered through the Herschel-Bulkley model with the yield stress varying through time due to decay. The results show good agreement of the uniform velocity profile and static foam properties at t=0 s for the 60 mm i.d. piepline setup, with a pressure drop overestimation of 28.98%; the pressure gradient relative to the 30 mm i.d. pipeline setup is well predicted when considering the linear velocity profile and foam properties at t=2000 s from the generation, with a pressure drop overestimation of 4.78%.

Tra i maggiori problemi dei gasdotti e dei pozzi, l'accumulo di acqua è di rilevante importanza: per limitare i problemi accumulazione di liquido, la deliquificazione mediante iniezione di tensioattivi è una promettente alternativa ai metodi meccanici consolidati, quali pigs e compressori. Tuttavia, il comportamento macroscopico del flusso di schiuma nei tubi è poco studiato e gli studi su quest'ultimo sono principalmente di natura sperimentale. L'obiettivo di questo lavoro è simulare il flusso di aria-acqua-schiuma in tubi orizzontali utilizzando un software industriale. Il software OLGA di Schlumberger, che rappresenta lo strumento standard del settore per la simulazione transitoria della produzione petrolifera multifase, è stato scelto per valutare la capacità di predire le cadute di pressione e il liquid holdup. I risultati sono presentati in termini di confronto con i setup sperimentali di Fasani, composto da una sezione di test di 60 mm di diametro interno, e Peruch, composto da una sezione di test di 30 mm di diametro interno. In primo luogo, sono state prese in considerazione le configurazioni bifase aria-acqua, bifase acqua-olio e trifase aria-acqua-olio per impostare un riferimento e analizzare le prestazioni OLGA su flussi di fluidi tradizionali. I risultati mostrano una corretta previsione dei gradienti di pressione se il regime di flusso è propriamente inquadrato: ogni volta che il regime di flusso è invece erroneamente simulato, le cadute di pressione non sono correttamente predette. Successivamente è stato studiato il flusso aria-acqua-schiuma, considerando solo le condizioni sperimentali di regime stratificato. Poiché il software richiede l'inserimento diretto delle portate massiche di ciascuna fase equivalente ma sono state fornite solo aria e acqua, è richiesta la distribuzione della velocità locale della schiuma e sono stati implementati tre diversi andamenti: uniforme, lineare, turbolento. La reologia della schiuma è stata considerata attraverso il modello di Herschel-Bulkley con lo yield stress tempo-variante a causa del decadimento della schiuma. Se comparati con gli esperimenti nel tubo da 60 mm di diametro interno, le simulazioni mostrano un buon accordo quando viene considerato il profilo di velocità uniforme e le proprietà della schiuma statiche al tempo t=0 s, con una sovrastima della caduta di pressione del 28.98%; le cadute di pressione nel setup con il tubo da 30 mm di diametro è ben predetto se si considerano il profilo di velocità lineare e le proprietà della schiuma a 2000 s dalla generazione, con una sovrastima della caduta di pressione del 4.78%.