Investigation of Multiphase Flow (gas/liquid) Behaviour with and without a Rotary Mixer Inside Pipes for Multiphase Pump applications. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Investigation of Multiphase Flow (gas/liquid) Behaviour with and without a Rotary Mixer Inside Pipes for Multiphase Pump Applications) PhD Dissertation_Bargal.pdf - Published Version Restricted to Repository staff only until 29 April 2027. Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives. Download (14MB)

Arabic Abstract

يتّسم الجريان ثنائي الطور غاز‎/‎سائل في آبار الإنتاج وخطوط الأنابيب غالبًا بظاهرة السدادات‎ ‎المتقطّعة، مما يسبّب عدم ‏استقرار هيدروديناميكيًا شديدًا وتحدّيات تشغيلية لمضخات الغاطس الكهربائية، بما في ذلك القفل الغازي وتدهور الأداء. ‏لذلك، تقدّم هذه الأطروحة وتقيّم استراتيجيات تهيئة الجريان المعتمدة على الخلاطات الدوّارة بهدف تجنيس المزيج قبل ‏المضخة، بالتوازي مع تعميق الفهم الأساسي لهيدروديناميكا فقاعات تايلور في موائع ذات صلة ميدانية من خلال نمذجة‎ ‎باستخدام‎ ‎ديناميكا الموائع العددية‎ ‎مُتحقَّق من صحتها وتجارب موجّهة. ونظرًا لأهمية الموضوع، تُعرض مراجعة شاملة ‏لخصائص هيدروديناميكا جريان السدادات العمودي، مع التركيز على الآليات الفيزيائية، والتوصيف التجريبي، ‏ومقاربات النمذجة للسمات الرئيسة. كما تُبرز الأطروحة أهمية استخدام تقنيات التعلم الآلي لتطوير علاقات تحقق ‏وإغلاق معيارية لتدفق السدادات عبر ظروف تشغيل مختلفة. وتدمج الأطروحة دراسات تصميم قائمة على‎ ‎النمذجة ‏العددية، وتطوير علاقات ترابطية، وتجارب متعددة المقاييس ضمن ثلاثة محاور رئيسة تهدف إلى تحسين أداء مضخات ‏الغاطس الكهربائية في تطبيقات الضخ ثنائي الطور ضمن بيئات آبار ذات محتوى غازي مرتفع‎.‎ يتضمن المحور الأول دراسات‎ ‎تكاملية باستخدام ديناميكا الموائع العددية (الفصلان 3 و4) تركّز على تعزيز تجانس ‏المزيج قبل مضخات متعددة الطور. ففي الفصل 3، يتم تقييم خلاط دوّار مركّب على عمود واحد داخل أنبوب رأسي ‏قطره 4 بوصات ينقل جريانًا فقاعيًا هواء–زيت، باستخدام نموذج أويلري–أويلري في برنامج المحاكاة العددية‎ ‎‏(‏ANSYS Fluent‏) مع تغيير الكسر الحجمي للغاز‎ ‎ضمن مدى 5–20%، وسرعات دوران العمود/الخلاط ضمن ‏‏1500‏‎-‎‏3500‏‎ ‎لفة في الدقيقة وأظهرت النتائج أن الخلاط يحسّن تجانس‎ ‎الخليط بصورة ملحوظة مقارنةً بعمود دوّار فقط، ‏بما يحدّ من انفصال الطور المرتبط بخطر القفل الغازي، إلا أنه يزيد هبوط الضغط ومتطلبات القدرة (بنحو 2.8 مرة). ‏كما بينت النتائج، ضمن نطاق الدراسة، أن خفض السرعة الدورانية قد يعزّز التجانس عبر تقليل شدة الاضطراب وزيادة ‏زمن مكوث الخلط؛ لذا تؤكد الدراسة أهمية تحسين السرعة وموقع الخلاط قرب المدخل كمتغيرات تصميمية حاسمة. ‏ويوسّع الفصل 4 مفهوم الخلاط من خلال تحسين تصميم غير مستقر، بدراسة تأثير عدد الشفرات واستراتيجيات التثقيب ‏لتحسين التجانس مع الحد من العقوبات الهيدروليكية. فزيادة عدد الشفرات تحقق مكاسب محدودة في التجانس لكنها ترفع ‏هبوط الضغط بشكل ملحوظ. في المقابل، يعزّز التثقيب تشتت الغاز ويخفض خسائر الضغط مقارنة بالشفرات الصلبة. ‏وبناءً عليه، يوفّر تصميم خلاط مثقّب ثنائي الشفرات بثلاث فتحات موازنةً ملائمة، كما أن سرعة تشغيل تقارب 1500‏‎ ‎لفة في الدقيقة‎ ‎تقدم خلطًا فعالًا بمتطلبات طاقة أقل. وبصورة عامة، يقدّم هذان الفصلان إرشادات تصميمية لتحقيق مزيج ‏متجانس عند المدخل بمتطلبات قدرة عملية‎.‎ يتناول المحور الثاني أساسيات جريان السدادات عبر نمذجة‎ ‎ديناميكا الموائع العددية‎ ‎لفقاعة تايلور منفردة ترتفع في زيت ‏ثقيل ساكن مع غاز الميثان، باستخدام منهج حجم المائع‎ ‎في نظام جريان صفحي. تم تغيير خصائص المائع ضمن: كثافة‏ ‏750-900 كجم/م³، لزوجة 0.1-2 باسكال.ثانية، وتوتر سطحي 0.01-0.04 نيوتن/م. وتم التحقق من صحة النموذج ‏بالاستناد إلى مراجع تجريبية/عددية منشورة من خلال شكل الفقاعة، وسرعة فقاعة تايلور، وخطوط الجريان في منطقة ‏الاستيقاظ‎ .‎وأظهرت النتائج أن اللزوجة هي العامل المسيطر على تدوير الاستيقاظ واستقرار الواجهة وديناميكيات ‏الصعود، في حين يؤثر التوتر السطحي بقوة على سلوك الاستيقاظ عند اللزوجات المنخفضة فقط، ويتضاءل تأثيره مع ‏ازدياد التخميد اللزجي. كما تم تطوير علاقات ترابطية عالية الدقة لمؤشرات هيدروديناميكية رئيسة (عدد فرويد، إجهاد ‏القص على الجدار، خصائص الغشاء، وطول الاستيقاظ) بدلالة‎ Re ‎وEo، بما يربط بين الظروف المخبرية وسلوك ‏الزيوت الثقيلة ذات الصلة بالحقل‎.‎ يعرض المحور الثالث برنامجًا تجريبيًا متعدد المقاييس لتوصيف أنماط الجريان عند المدخل وتقييم أجهزة الخلط ‏لتطبيقات مضخات الغاطس الكهربائية. فقد أتاحت منشأة كبيرة الحجم إجراء اختبارات تشغيل أولية محدودة مع تغيير ‏سرعة المضخة ومعدل حقن الهواء، وأظهرت انخفاض ارتفاع الضغط عبر المضخة مع زيادة انجراف الغاز، مع توثيق ‏أنماط الجريان الفقاعي، والمتموّج الطبقي، والسدادي قبل المضخة. إلا أن القيود الميكانيكية/التشغيلية (سوء المحاذاة، ‏ارتفاع الحرارة، الاهتزاز، وتعطل المحرك) حالت دون استكمال خريطة الأداء المخطط لها عند‎ ‎كمية غاز‎ ‎مرتفعة ودون ‏تنفيذ مرحلة الخلاط المقترن بالعمود. لاحقًا، وفّر جهاز صغير الحجم (أنبوب رأسي 4 بوصات) إمكانية تصوير عالي ‏السرعة لأنماط جريان مختلفة وتخفيف سلوك السدادات باستخدام خلاط دوّار. تكوّنت فقاعات تايلور/السدادات بسهولة ‏في السائل الساكن، لكنها أصبحت غير مستقرة مع حركة السائل‎ (‎ميل إلى تحوّل سدادي الى متهيج‎.‎‏ كما حدث تشوّه ‏وتفتيت تدريجي للسدادات مع زيادة سرعة الخلاط، مما حسّن تشتت الغاز في اتجاه المخرج‎.‎ وخلاصة القول، تُظهر النتائج التكاملية للنمذجة العددية والتجارب أن الخلاطات الدوّارة قادرة على كبح تماسك ‏السدادات، وتعزيز تجانس الغاز-السائل، وتثبيت ظروف المدخل ذات الصلة بتشغيل مضخات الغاطس الكهربائية في ‏الآبار ذات المحتوى الغازي المرتفع. كما توفر أدوات النمذجة والعلاقات الترابطية والأدلة التجريبية متعددة المقاييس ‏المقدمة في هذه الأطروحة إرشادات تصميم وتشغيل عملية للحد من عدم الاستقرار الناتج عن انجراف الغاز وتحسين ‏موثوقية الضخ ثنائي الطور‎.‎

English Abstract

Multiphase gas-liquid flow in production wells and pipelines frequently exhibits ‎intermittent slugging, causing severe hydrodynamic instability and operational ‎challenges for electric submersible pumps (ESPs), including gas lock and performance ‎degradation. Therefore, this thesis introduces and evaluates flow-‎conditioning strategies ‎based on rotary mixers to homogenize upstream mixtures, while also advancing ‎fundamental understanding of Taylor-bubble hydrodynamics in field-relevant fluids ‎through validated CFD modelling and targeted experiments. Due to the ‎‎significance of ‎this topic, a comprehensive review ‎of the hydrodynamics characteristics of ‎‎‎vertical slug ‎flow is presented, focusing on physical mechanisms, experimental, and modelling ‎approaches for key features. Machine learning techniques are also highlighted for ‎developing standardized validation and closure correlations for slug flow across ‎operating conditions.‎‏ ‏The thesis integrates CFD-based design studies, correlation ‎development, and multi-scale experiments ‎‎through three major investigations aimed at ‎enhancing ESPs performance for multiphase pumping at different gassy-well ‎environments.‎ The first investigation of this work comprises complementary CFD studies (Chapters 3 ‎and 4) focused on enhancing mixture homogeneity upstream of multiphase pumps. ‎Chapter 3 numerically evaluates a shaft-mounted rotary mixer installed in a 4-inch ‎vertical pipe carrying bubbly air-oil flow, using an Eulerian-Eulerian model with ‎appropriate turbulence closure in ANSYS Fluent. Gas volume fraction (GVF) is varied ‎from 5–20% and mixer/shaft speeds from 1500-3500 rpm. The mixer significantly ‎improves GVF uniformity compared with a rotating shaft alone, mitigating phase ‎segregation associated with gas lock, but increases pressure drop and power demand ‎‎(2.8 times). Results show that, within the examined range, reducing rotational speed can ‎enhance uniformity by lowering turbulence intensity and increasing mixing residence ‎time; the work therefore highlights speed optimization and near-inlet placement (mixer) ‎as key design variables. Chapter 4 extends the mixer concept through unsteady design ‎optimization, examining blade number and perforation strategies to improve uniformity ‎while limiting pressure penalties. Increasing blade count provides only modest ‎uniformity gains but markedly increases pressure drop. Introducing perforations ‎enhances gas dispersion while lowering pressure losses relative to solid blades. ‎Consequently, a perforated two-blade mixer design with three holes provides a ‎favourable trade-off, and an operating speed around 1500 rpm offers effective mixing ‎with reduced energy demand. Generally, these chapters establish design guidance for ‎achieving homogeneous intake mixtures with practical power requirements. ‎ The second investigation examines slug-flow fundamentals using CFD of a single ‎Taylor bubble rising in stagnant heavy oil with methane, employing a laminar VOF ‎approach. Fluid properties are varied over density 750-900 kg/m³, viscosity 0.1–2 Pa.s, ‎and surface tension 0.01-0.04 N/m (Eo=225–903; Re=0.6–51). The model is validated ‎against published experimental/numerical benchmarks using bubble shape, Taylor ‎bubble velocity, and wake streamlines. Results identify viscosity as the dominant ‎parameter controlling wake recirculation, interface stability, and rise dynamics, whereas ‎surface tension strongly affects wake behaviour only at low viscosity, with diminished ‎influence under strong viscous damping. High-accuracy correlations are developed for ‎key hydrodynamic indicators (Froude number, wall shear, film characteristics, and wake ‎length) as functions of Re and Eo, bridging laboratory conditions and field-relevant ‎heavy-oil behaviour. ‎ The third investigation presents a multi-scale experimental program to characterize ‎inlet ‎flow regimes and evaluate mixing devices for ESP applications. A large-scale ‎ESP-inlet ‎facility enabled limited commissioning tests under varying ESP speed and air ‎injection, showing reduced pressure rise with increasing gas entrainment and ‎documenting ‎bubbly, stratified-wavy, and slug regimes upstream of the pump. ‎Mechanical/operational ‎constraints (misalignment, overheating, vibration, and motor ‎failure) prevented completion ‎of the intended high-GVF performance mapping and the ‎planned shaft-coupled mixer stage. ‎A subsequent small-scale 4-inch vertical rig ‎provided high-speed visualization of different flow ‎regimes and slug mitigation using a ‎rotary mixer. Slug/Taylor bubbles formed readily ‎in stagnant liquid, were destabilized ‎by liquid moving (slug→churn tendency). It also was ‎gradually deformed and broken as ‎mixer speed increased, thereby improving downstream ‎gas dispersion.‎ Overall, the integrated CFD and experimental results demonstrate that rotary mixers can ‎effectively suppress slug coherence, enhance gas-liquid uniformity, and stabilize intake ‎conditions relevant to ESP operation in gassy wells. The presented modelling tools, ‎correlations, and multi-scale experimental evidence in this thesis provide practical ‎design and operational guidance for mitigating gas-entrainment-induced instability and ‎improving multiphase pumping reliability.‎