EVALUATING THE EFFECTS OF DENSITY, VISCOSITY AND SURFACE TENSION ON TWO-PHASE FLOW IN HORIZONTAL PIPES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Ms._Thesis_Final_Draft_(Ala_AL-Dogail).pdf Download (4MB) | Preview

Arabic Abstract

أنماط الجريان ثنائي الطور للغاز والسائل شائع الحدوث في تطبيقات مختلفة. في منشاءات الحقول النفطية، الجريان ثنائي الطور يمكن أن يحدث في حالات مختلفة والتي منها جريان الموائع داخل خطوط الأنابيب. أثناء التصميم لنظام الإنتاج، يتطلب التنبؤ الدقيق لإنخفاض الضغط والذي يتم تحديده من خرائط أنماط الجريان. ولكن لسؤ الحظ فإن معظم خرائط أنماط الجريان تم تصميمها دون الأخذ بالإعتبار تأثير خصائص المائع (الكثافة واللزوجة والشد السطحي). بالرغم من الأهمية العملية لهذه الخرائط، فإن التطبيق العام لهذه الخرائط لم يعالج بعد. ولتحسين عمومية خرائط أنماط الجريان، من الضروري تقييم تأثيرالكثافة ( كثافة الماء 62.4 رطل لكل قدم مكعب وللنفط 50 رطل لكل قدم مكعب ) واللزوجة ( لزوجة الماء 1 سنتيبويز ولزوجة النفط 10 سنتيبويز عند الظروف الإعتيادية)والشد السطحي الذي يختلف بقيمه كبيرة ( 72 ملي نيوتن لكل مترللماء و 35 ملي نيوتن لكل مترللنفط) على خريطة أنماط الجريان. لذلك تهدف هذه الدراسة لتقييم تأثير الكثافة واللزوجة والشد السطحي على خريطة نمط الجريان ومعالجة تطبيقاتها. العديد من البحوث للجريان ثنائي الطور في خطوط الأنابيب تم عملها ونتجية لذلك تم تصميم العديد من خرائط أنماط الجريان . بعض هذه الدراسات تضمنت الخرائط التي أنشئت بواسطة بيكر، قوفير وعزيز ،ماندهاني ،بيقس وبيريل وغيرهم. علاوة على ذلك ولصياغة خرائط أنماط الجريان. بعض متغيرات الرسم والمجموعات التي لابعد لها إستخدمت كمحاور. بعض المتغيرات هي السرعات السطحية للسائل والغاز وتدفق الكتلة وخصائص المائع ( الكثافة واللزوجة .....إلخ) والأرقام اللابعدية مثل رقم سرعة السائل ورقم سرعة الغاز وعدد ويبر وعدد فرود. ولتعميم التطبيق لخرائط أنماط الجريان. مزيج من المتغيرات والأرقام اللابعدية إستخدمت. ولإنشاء هذه الخرائط الكثير من البيانات التجيريبة مطلوبة وفي الغالب من غير الممكن تقييم تأثير كل متغير بمفرده ( الكثافة واللزوجة والشد السطحي وحجم الانبوب والشكل الهندسي) على خريطة أنماط الجريان. الجريان متعدد الاطوار يتميز بوجود واجهات بين الاطوار وانقطاعات للخصائص المرافقة . الشد السطحي يستخدم ليميز وجود واجهة وهذا التأثير لم يقيم لنظام الهواء والماء بالرغم من حقيقة ان معظم الدراسات تأخذ في الاعتبار نظام الهواء والماء لتوليد البيانات التجيريبة المطلوبة لخريطة نمط الجريان. الغرض من هذه الدراسة هو تقييم تأثير الكثافة واللزوجة والشد السطحي على أنماط الجريان في الأنابيب الإفقية وتحقيق تأثيرها على إنتقال الحدود. تم عمل التجارب باستخدام أنبوب إفقي طوله 30 قدم وقطرة 1 بوصة لجريان ثنائي الطور للهواء والسائل . سرعة الغاز السطحية تتراوح مابين (0 إلى 60 قدم لكل ثانية) بينما السرعة السطحية للسائل تتراوح مابين (0 إلى 10 قدم لكل ثانية). تقييم تأثير الكثافة تم من خلال زيادة الكثافة بإستخدام ملح بروميد الكالسيوم ، تقييم تأثير اللزوجة تم من خلال زيادة اللزوجة بإستخدام الجلسرين وتقييم تأثير الشد السطحي تم من خلال تقليل الشد السطحي بإستخدام التوتر السطحي . تم إستخدام تركيزين مختلفين (25 و75%) من ملح بروميد الكالسيوم ،أربع تراكيز مختلفة ( 5 و 10 و20 و30 ) من الجلسرين وأربع تراكيز مختلفة من التوتر السطحي وتمت الإستفادة من البيانات التجريبية لإنشاء خرائط أنماط الجريان وتم تقييم تأثير الكثافة واللزوجة والشد السطحي من خلال الإختلافات في الحدود لمختلف أنماط الجريان.

English Abstract

Two-phase gas/liquid flow regime in pipes is a common occurrence in different applications. In oilfield facilities, two-phase flow can occur in different parts of production system such as flow of fluid through tubing and pipelines. During the design of a production system, accurate prediction of pressure drop is imperative which is determined from flow pattern and flow regime map. Unfortunately, most of the flow regime maps were developed without considering the effect of fluid properties (density, viscosity and surface tension). In spite of the practical importance, the general applicability of these maps is not addressed. In order to improve generality of flow regime maps it is necessary to evaluate the effect of density (density of water 62.4 lb/cu.ft and for oil 50 lb/cu.ft), viscosity (viscosity of water 1 centipoise and for oil 10 centipoises at standard conditions) and surface tension which differ by great magnitude (air/water = 72 mN/m and gas/oil = 35 mN/m) on flow regime map. Thus, this work aims to evaluate the effect of liquid density, liquid viscosity, and surface tension on the flow regime map and address its applications. Several studies on two-phase flow through horizontal pipelines have been performed to develop the flow regime maps. As a result, many flow pattern maps have been established. Such studies include those done by Baker, Govier & Aziz, Mandhane, Beggs & Brill, etc. Further, to formulate the flow regime maps, some mapping parameters and dimensionless groups are used as coordinates. Some of the parameters are liquid and gas superficial velocities, mass flux, gas-liquid properties (density, viscosity, etc.) and dimensionless numbers such as gas velocity number, liquid velocity number, Weber number, and Froude numbers. To generalize the applicability of the flow regime maps, a combination of parameters and dimensionless numbers are used. To generate these maps lots of experimental data is required and usually, it is not feasible to evaluate the effect of each individual parameter (density, viscosity, surface tension, pipe size or geometry) on the flow regime map. Presence of interfaces between two different phases refers to the multi-phase flow. Surface tension is utilized to characterize the existence of an interphase and this effect was not evaluated for the air-water flow system despite the fact that most of the studies reported in the literature consider the air-water system to generate the experimental data required for flow regime map. The purpose of this work is to evaluate the influence of density, viscosity and surface tension on flow regimes in horizontal pipe and investigate its effects on boundary transition. The experiments were conducted on a horizontal pipe flow-loop (length 30’ and diameter 1”) with two-phase air/liquid. The range of superficial gas velocity is 0-60ft/s and superficial liquid velocity is 0-10ft/s. The effect of density was introduced by increasing the density with aid of Calcium Bromide salt, the effect of viscosity was introduced by increasing the viscosity with aid of glycerin, and the effect of surface tension was introduced by reducing the surface tension with the aid of a surfactant. Two different Calcium Bromide concentrations (25 and 75%), four different glycerin concentrations (5, 10, 20, 30%), and four different surfactant concentrations (0.02, 0.05 0.1, 0.5%) were selected and the experimental data was utilized to generate flow pattern map and the effect of density, viscosity, and surface tension were evaluated based on the variation in the boundaries of different flow patterns.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Petroleum > Well Performance and Optimization
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Gajbhiye, Dr. Rahul N.
Committee Members:	Mahmoud, Dr. Mohamed and Elkatatny, Dr. Salaheldin M.
Depositing User:	ALA AL-DOGAIL (g201404240)
Date Deposited:	30 Jul 2018 06:41
Last Modified:	31 Dec 2020 09:25
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140777