Flow Patterns of Oil-Water in Production Pipelines and Effect of Internal Turbulators. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Thesis_(Oil_Water_2-Phase_Flow_(Abdullah_M_Al_Otaibi)_ME_July_2011.pdf Download (7MB) | Preview

Arabic Abstract

يُضخ الزيت الخام (النفط) والماء غالباَ معاً في أنابيب الحديد من أبار و حقول النفط المختلفة بالإضافة إلى ما تحمله من بعض الغازات المسببة لتأكل الحديد كممارسة شائعة في صناعة البترول. بالرغم من ضخ النفط والماء معاً إلا أن الخليط يبدأ بالانفصال تلقائياً داخل الأنابيب قبل وصولها المعمل المخصص لفصل كل مادة على حدة , إلى زيت, ماء, غازات, الخ. هذا الانفصال المبكر للخليط داخل الأنابيب يتسبب في تأكل الأنابيب من الداخل مما أدى إلى إجراء هذه البحث الذي يهدف إلى دراسة بعض العوامل ومعرفة مدى تأثيرها على تسارع انفصال الماء عن الزيت و تجمعه في قاع الأنابيب مستخدماً الحسابات العددية. يقاس تأثير كل عامل عن طريق حساب كمية الماء المتجمع في قاع الأنبوب و تغير أنماط الخليط تبعاً لتغير العوامل. غطت الدراسة الأنابيب التي نسبة قطرها إلى طولها (ط/ ق) يتراوح بين 29.7 إلى 58.8. كما شملت الدراسة عدد تمييز ديناميكية السوائل (رقم رينولدز) للخليط عند مدخل الأنبوب والذي يتراوح بين 6.37 310 x إلى 1.59 510x وذلك من خلال التطرق لثلاثة أنواع من المتغيرات لتشمل حالة التشغيل ، الخصائص الفيزيائية للنفط و الأنابيب الحاملة للنفط. وتم التحقق من أثر هذه المتغيرات بمقارنتها بالحالة التي تم تحديدها كحالة أساسية وفقا للاستخدامات في المعامل النفطية كما في شركة آرامكو السعودية. تستخدم الحالة الأساسية لنقل النفط والماء أنبوب أفقي قطره الداخلي 15.4 سم (6 بوصة). كما اُختير الخليط من الزيت العربي الخام الخفيف ذو معامل درجة كثافة 39 API ويحتوي على نسبة من الماء تقدر بـ 30٪. حيث أن كثافة الزيت تقدر بـ830 كجم/ م3 واللزوجة 2.0 ملي باسكال.ث. وتقدر كثافة الماء تقدر بـ998.2 كجم/ م3 واللزوجة 1.0 ملي باسكال.ث. كما حُددت سرعة الخليط عند مدخل الأنبوب بـ 1.0 م/ث كأقل سرعة لهذا النوع من السوائل تبعاً للمراجع الخاصة بآرامكو السعودية. المتغيرات المختلفة التي من خلالها تم التحقق من تغيرات أنماط الخليط تكون تبعاً للآتي: ظروف التشغيل و تشمل: سرعة الخليط الداخل (0.5, 1.0 و 2.0 م/ث) و نسبة الماء الداخل ( 20, 30 و 50 %). وكذلك الخواص الفيزيائية للنفط وتشمل: الكثافة ( 662, 830 و 998.2 كجم/ م3) و اللزوجة (2.0, 15.0 و 30.0 ملي باسكال.ث(. وأخيراُ هندسة الأنابيب وتشمل: مقاس القطر الداخلي ( 10.2, 15.4, 20.2 سم) , انحدار الأنابيب ليشمل:(أنبوب أفقي (0 درجة),أنبوب مائل إلى الأعلى ( 15 درجة), و إلى الأسفل (15 درجة). كذلك تمت دراسة تأثير نوعين من أجهزة الخلط (نوع A ونوع B) المثبتة داخل الأنابيب. تمت مقارنة نتائج هذا البحث مع الأعمال العملية السابقة المتواجدة للحالات المماثلة. بالرغم من ندرة الاعمال المماثل التي تهتم بتأثير كل عامل على حدة. ألا إن النتائج الحالية كانت مطابقة إلى حد كبيرا للأعمال العملية المتواجدة للحالات المماثلة حول ما تم التوصل إليه من نتائج متعلقة بأنماط الخليط وكمية الماء المتجمع في قاع الأنابيب. الدراسة الحالية بينت إن زيادة سرعات الخليط الداخل, زيادة لزوجة النفط وزيادة قطر الأنابيب يزيد منطقة التمازج بين الماء و النفط وتقليل إمكانية انفصال الماء وتجمعه في قاع الأنبوب. وتبين أيضا أن كلاَ من زيادة نسبة المياه الداخلة مع النفط وتدفق الخليط باتجاه ميلان الأنبوب للأعلى يزيد تراكم المياه في قاع الأنابيب. بينما تبين إن تدفق الخليط للأسفل باتجاه ميلان الأنبوب يقلص تكدس المياه في قاع الأنابيب. بين العمل الحالي شكل أنماط الخليط المختلفة والتي قد تحدد سلوكيات تدفق الخليط بناءَ على ظروف التشغيل و حالات التصاميم المختلفة والتي يمكن تلخيصها كالأتي: أنماط منفصلة, شبه منفصلة وشبه مختلطة, و أنماط ممزوجة. وبما إن انفصال المياه في قاع الأنابيب يكون مصدراً أساسيا لتآكل الأنابيب فيجب العمل على تخفيضها وعمل الاحتياطات الأزمة إثناء التصميم لاستيعاب جميع احتمالات التشغيل المختلفة التي قد تسبب انفصال الماء في الأنابيب. هناك مواد معروفة في الصناعة يمكن استخدامها لحماية الأنابيب ضد التآكل ولكن تحتاج البيئة (النمط) المناسبة للتمكن من حُسن فعاليتها. حيث اظهر استخدام أدوات الخلط الثابتة أنه من الممكن خلق بعض أنماط المزج التي يمكن الاستفادة منها كبيئة مناسبة لإضافة مواد حماية الأنابيب ضد التآكل و هذا ما قد يتطلب إجراء بعض التجارب في هذا المجال. أهمية البحث في عملية نقل الماء و الزيت الخام تهدف إلى السيطرة على انفصال الماء في الأنابيب و تخفيف تكلفة التآكل الناتج عن هذا الانفصال حيث يكلف التآكل الصناعة في المملكة العربية السعودية ما يقارب 1.4 مليار دولار سنوياً.

English Abstract

Oil-water two-phase flows are commonly found in petroleum industry with the possibility of having dissolved corrosive gases. Even though oil and water transport simultinously, they natuarally get separated in the pipelines before reaching the separation plant and cause internal pipelines corrosion. The objective of the present research is to numerically evaluate some design and operation parameters effecting the separation of oil and water and measure their effect in terms of water holdup and flow patterns change. The evaluation covered the pipe length to diameter ratio (L/D) in the range from 29.7 to 58.8 and the Reynolds numbers for the inlet mixture in the range from 6.37x103 to 1.59 x105 based on different variables related to operation, oil properties and piping geometries. The work is compared to a base case selected according to normal operation and design application in Saudi Arabian Oil Company (Saudi Aramco). The base case has an oil and water mixture flow in a horizontal pipe of 15.4 cm (6 inch) inner diameter. The mixture is of Arabian oil of API 39 and 30% water cut. The oil density is 830 kg/m3 and the viscosity is 2.0 cP. The water density is 998.2 kg/m3 and the viscosity is 1.0 cP. The inlet mixture flow rate is assumed to be at a velocity of 1.0 m/s minimum velocity as recommended by Saudi Aramco standards. The different variables are: operating conditions including: mixture inlet velocities of 0.5, 1.0 and 2.0 m/s and water cuts of 20, 30 and 50% WC, oil physical properties including: densities of 662, 830 and 998.2 Kg/m3 and viscosities of 2.0, 15.0 and 30.0 cP and pipeline geometry including: inner diameter size of 10.2, 15.4 and 20.2 cm, pipe inclinations of 0, 15o upward and 15o downward and two types of internal turbulators (Type A and B). The outcomes of the present research are compared to the available experimental data that are conducted for identical design conditions as the present work as applicable to show good agreement in terms of different flow patterns and water holdup. The present research show that increasing mixture velocity, oil viscosity and pipe diameter results in more mixing area of oil and water and less water holdup. It also shows that increasing water cuts and upward inclined flow result in more water holdup. The downward inclined flow shows less water holdup. The reported flow patterns in the present work range are: Segregated, Semi-segregated, Semi-mixed, and Semi-dispersed. As free water at the pipe bottom is a source of corrosion, all operation and design parameters that can enhance water separation should be considered in the design stage and controlled during normal operation. One method of mitigating corrosion is to use inhibitors. However, different inhibitors require different specific flow pattern for better effectiveness. Internal turbulators might be a good tool to create certain flow patterns that can be suitable to inject the right inhibitors at the right environment and that requires conducting further investigation in this field. Mitigating corrosion will contribute in reducing the corrosion that costs the Kingdom of Saudi Arabia industry about $1.4 billion a year [Tems and Al Zahrani, (2006)].

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Habib, Mohamed
Committee Co-Advisor:	Ben-Mansour, Rached
Committee Members:	Gasem, Zuhair and AL-Sarkhi, Abdelsalam and Ahmed, Wael
Depositing User:	ABDULAH AL-OTAIBI (g199469100)
Date Deposited:	24 Jul 2011 12:56
Last Modified:	01 Nov 2019 15:30
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/138514