CFD MODELLING FOR LIQUID FILM REVERSAL OF TWO-PHASE FLOW IN VERTICAL PIPES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS_Thesis_Mohamed_Hussein.pdf Download (16MB) | Preview

Arabic Abstract

ظاهرة السريان ثنائي الأطوار تتسم بتواجدها الواسع في الطبيعة والتطبيقات الصناعية. فى إنتاج النفط والغاز، السريان المتزامن للغازات والسوائل غالبا ما يحدث في آبار الغاز. معدل سريان الغازات المنتجة يقل مع مرور السنين حتى يصل إلى معدل تدفق حرج عندما تفقد الغازات قدرتها على حمل السوائل إلى الأعلى فتعكس طبقة السائل على جدار الأنبوبة اتجاه سريانها، مما يحفز تحميل السوائل (أو مايعرف ب liquid loading) تحميل السوائل يجعل الغازات تتراكم في عمق البئر، مما يؤدي إلى ارتفاع الضغط الخلفي الذي يعمل على تقليل معدل الإنتاج حتى توقف الإنتاج في نهاية المطاف. السرعة الحرجة للغاز تقع في نطاق نوع من التدفق ثنائي الأطوار يعرف ب churn flow الذى يتصف بالسلوك التذبذبي والدوري للموائع في مجال التدفق. هذا البحث يستخدم تقنيات ديناميكية الموائع الحسابية (Computational Fluid Dynamics) لنمذجة ذلك النوع من التدفق في أنبوب عمودي قطره 3 بوصات قرب معدل التدفق الحرج للغاز ولمعدلات تدفق مختلفة للسائل. يستخدم هذا العمل البحثي النموذج ثنائي الموائع (Eulerian two-fluid model) مع نموذج RNG k-ε لمنذجة اضطراب السريان من أجل دراسة سلوك الموائع في مجال حسابي ثنائي الأبعاد متناظر حول محور الأنبوب. نفذت عمليات المحاكاة باستخدام الإصدار 18.2 من البرنامج التجاري ANSYS Fluent وباعتبار أن الماء والهواء هما المائعان المستخدمان. أظهرت النتائج اتفاق جيد مع البيانات الناتجة من التجارب العملية وعدم اعتماد النموذج على حجم الشبكة الحسابية أو مقدار الخطوة الزمنية المستخدمة في النموذج. السلوك المتذبذب لمعدل سريان السائل، إجهاد القص والضغط بالاضافة إلى تشكل الموجات على السطح البيني بين المائعين كان مما أظهرته النتائج بوضوح. يعرض البحث أيضا معلومات مفصلة عن سلوك سرعة الموائع، إجهاد القص والضغط. وبناء على ذلك، نقدم بعض التوصيات للأخذ في الاعتبار للأبحاث المستقبلية.

English Abstract

The phenomenon of two-phase flows is characterized by its wide range of presence in nature and industrial applications. In gas and oil production, the simultaneous two-phase flow of gases and liquids often occurs in gas wells. The produced gases flow rate decreases over the years until reaching a critical flow rate when they lose their ability to lift the associated liquids upward and the liquid film reverses direction, which triggers liquid loading. Liquid loading causes the produced liquids to accumulate in the bottom of the wellbore, which causes a high back-pressure that reduces the well production rate till production is ceased eventually. The critical gas velocity exists in the churn flow regime which is mainly characterized by the oscillatory behavior of the liquids flow field. This thesis employs CFD techniques to model the churn flow in a 3-inch diameter vertical pipe near the critical gas flow rate for different liquid flow rates. This work utilizes the two-fluid Eulerian model along with the RNG k-ε turbulence model to investigate the behavior of the flow field in a two-dimensional axisymmetric computational domain. Simulations were carried out using the commercial software ANSYS Fluent 18.2 with air and water as the two working fluids. The model results showed a good agreement with the experimental data and proved the mesh and time independence of the model. Oscillatory behaviors of the liquid film flow rate, shear stress, and pressure were observed along with the formation of interfacial waves. Detailed information about the velocity, shear stress, and pressure behaviors is presented. Recommendations are suggested for future considerations.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Research > Petroleum Research > Engineering Mechanical Petroleum > Well Performance and Optimization
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Badr, Hassan
Committee Members:	Al-Sarkhi, Abdelsalam and Habib, Mohamed
Depositing User:	MOHAMED HUSSEIN (g201193450)
Date Deposited:	19 Dec 2018 11:46
Last Modified:	30 Dec 2020 13:25
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140844