L'étude théorique des écoulements diphasiques en conduite est présentée, ainsi que différentes cartes de configuration.

Les deux logiciels Tacite et Olga sont ensuite comparés.

 Théorie

Modèles d'écoulements diphasiques en conduite

Qu'est-ce qu'une carte de configuration? 

Réalisation de cartes de configuration à l'aide du logiciel TACITE


 Modèles d'écoulements diphasiques en conduite

Lors de l'extraction de pétrole brut d'un réservoir, l'écoulement est diphasique (liquide/gaz). Ceci est dû à la composition complexe du pétrole ; en effet, on y trouve à la fois des composés faiblement carbonés (CH4, CO2…) et des composés à longue chaîne carbonée de type C10, C11… qui ne se trouvent pas dans la même phase à une pression donnée.


L'écoulement diphasique peut alors présenter différents régimes :


 Qu'est-ce qu'une carte de configuration? 

Une carte de configuration donne une description physique d'un écoulement diphasique dans une conduite à diamètre et inclinaison donnés selon les valeurs de débits de gaz et de liquide.

On porte en abscisse le flux de gaz et en ordonnée le flux de liquide. On peut alors déterminer les différents types d'écoulements susceptibles d'apparaître. Pour des raisons physiques évidentes, les débits sont limités respectivement à 10 m/s pour le liquide et 100 m/s pour le gaz.

  Réalisation de cartes de configuration à l'aide du logiciel TACITE

Nous avons étudié l'influence de l'inclinaison de la conduite sur la configuration de l'écoulement. Trois conduites ont été choisies : horizontale, verticale et inclinée à 5% vers le bas. Les pressions sont imposées en fin de conduite. Cette première étude nous a permis de nous familiariser avec le code de calcul TACITE.

On observe bien pour des faibles débits de liquide et de gaz le régime stratifié lisse, celui-ci se transformant en stratifié à vagues lorsque la vitesse du gaz augmente. La transition vers le régime intermittent s'obtient pour des débits intermédiaires. Cette zone représente la majeure partie de la carte, ainsi pour cette configuration, le régime intermittent est le plus fréquemment rencontré. Pour des débits de liquide très importants le régime dispersé apparaît. On peut remarquer l'apparition d'une zone aberrante qui prévoit un régime à phases séparées à des fortes vitesses de liquide après être passé par un régime à phases dispersées. Ceci montre les limites du logiciel qui ne peut modéliser correctement des régimes à très grande vitesse de liquide très rarement rencontrés dans la réalité.

 

Pour une pression de sortie de 40 bars on retrouve les mêmes zones que pour la configuration pipe horizontal sous 15 bars. Les zones à régime stratifié sont plus étendues du fait de l'augmentation de la tension de surface de l'interface liée à l'augmentation de la masse volumique du gaz lorsque le gaz est comprimé. De plus le régime dispersé apparaît plus facilement car les poches de gaz du régime intermittent sont plus petites (le gaz occupe moins de volume sous 40 bars que sous 15 bars) et donc plus faciles à "casser" en bulles lorsque le liquide atteint des vitesses importantes.
Les deux zones "annulaire" et "annulaire dispersé" apparaissent pour des forts débits de gaz.

Comme pour le pipe horizontal sous 15 bars, le régime intermittent est dominant. On trouve aussi à fort débit de liquide un écoulement de type dispersé.
De plus, un écoulement caractéristique d'une conduite verticale apparaît pour de fort débit de gaz : c'est l'écoulement annulaire. On remarque aussi sa présence à faible vitesse du liquide et forte vitesse du gaz. Ceci n'est pas physique et montre encore les limites d'utilisation de ce logiciel pour des valeurs trop élevées de débit de liquide.
L'absence d'écoulement stratifié s'explique par la présence de la force de gravité qui n'agit pas pour stratifier les phases mais plutôt comme force motrice.

Pour ce cas, on remarque la prédominance des régimes stratifiés comparé au cas du pipe horizontal. Ceci est dû à la force de gravité qui est stabilisatrice de l'interface lorsque le pipe est incliné, ainsi l'apparition du régime intermittent est repoussé à de très importants débits de liquide.
Comme pour le cas horizontal sous 40 bars on trouve une zone d'écoulement annulaire pour des vitesses de gaz très élevées.


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 Tacite / Olga


 Tacite

TACITE 4.099 est un code industriel élaboré par IFP-TOTAL-ELF pour simuler toutes les configurations de transition habituellement rencontrées en écoulement diphasique : configuration dispersée, stratifiée ou intermittente.

Pour décrire les fluides, TACITE 4.099 utilise des compositions simplifiées en se ramenant à seulement N pseudo – composants ( 2 £ N £ 12) formés à partir des composants initiaux du fluide. Le modèle note l’évolution de ces composants simplifiés par rapport au temps et à l’espace. C’est à l’utilisateur de caractériser ces composants afin de bien représenter le fluide réel avec lequel il désire travailler.

Dans cette version de TACITE, toutes les procédures thermodynamiques ne sont pas accessibles à l’utilisateur et sont supposées se trouver dans une sorte de " boîte noire " qu’il est impossible de consulter pour comprendre son fonctionnement.

 

  • Les fichiers d’entrée des données
  • Les données requises pour exécuter une simulation avec TACITE sont contenues dans huit fichiers ASCII qui sont lus séquentiellement par le code.Ces fichiers ont tous un nom qui commence par le même préfixe, noté <nom> dans cette présentation du code.

    Ce fichier contient les commentaires concernant la simulation et les noms des fichiers de données. La lecture de fichier est basée sur la reconnaissance des mots clés TITLE, NOTE, TOP, GEO, THE, MSH, PVT, SCE et STO.

    Ce fichier contient le tracé de la configuration utilisée pour amener les différents fluides (gaz et huile) jusqu’à la plate-forme.

    Ce fichier contient la description géométrique du dispositif en fonction de la longueur cumulative.
    Dans ce fichier, on entre la longueur de chaque partie de la configuration (tubbing, flowline, riser), leur diamètre et la rugosité de chaque conduite.

    Ce fichier contient les propriétés thermiques du dispositif, des fluides et de l’environnement.

    Ce fichier définit le maillage i.e. la discrétisation du dispositif en fonction de la longueur cumulative.
    On donne la longueur et le nombre de cellules contenues dans chaque partie du dispositif.

    Ce fichier contient les propriétés thermodynamiques des fluides.
    On indique le nombre de composants du fluide. Dans cette version de TACITE le nombre de composants doit être compris entre 2 et 12.

    Ce fichier contient les conditions limites. En effet dans ce fichier, on impose la pression en sortie du dispositif et les vitesses débitantes de gaz et de liquide en entrée.

    Ce fichier contient la fréquence de stockage des résultats.

  • Les fichiers de sortie

    Au cours de la simulation, plusieurs fichiers résultats sont créés automatiquement.
  • Le fichier " <nom>_<n°simulation>.TXV " que l’on regarde contient les valeurs de la pression (pertes de charge), des fractions volumétriques de gaz et de liquide, des vitesses superficielles de gaz et de liquide et les types de configurations observées (dispersée, intermittente ou slug, annulaire, annulaire dispersée, stratifiée à interface lisse ou ondulée, phase liquide ou gaz seule).

     Olga

    Olga est un code pétrolier norvégien, développé à l'origine par IFE pour Statoil en 1983. La version utilisée au cours de cette étude est dotée d'une interface graphique, appelée Olga 2000, qui permet de réaliser des simulations unidirectionnelles de mélanges huile, gaz et eau.

    L'implémentation d'un cas sous Olga et Tacite est relativement similaire. Il existe 6 fichiers sous Olga mais seuls deux servent vraiment, les autres permettant l'implémentation de d'équipements spécifiques. Ces deux fichiers sont le . inp et le .tab.

    Il existe des informations plus détaillées sur le modèle utilisé par Olga dans l'ouvrage :


    "The dynamic Two-Fluid Model Olga: Theory and application"
    Bendiksen, K.H Malnes, D. Moe, R. et S. Nuland
    Editions SPE Production Engineering
    mai 1991, pages 171 à 180

    Vous pouvez aussi consulter un autre rapport détaillant des travaux effectués avec Olga sur le site de l' ENSEEIHT, ou visiter le site de Scandpower.
    Pour trouver de l'aide sur Olga, deux manuels sont à la disposition de l'utilisateur ( "User's Manual" pour plus d'informations sur les fonctionnalités d' Olga & "Getting Started" pour l'utilisation de l'interface graphique). Ces manuels existent en format papier ou en format html dans la rubrique d'aide du logiciel. Pour de plus amples informations, vous pouvez aussi contacter directement Scandpower.

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    Contexte
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    Résultats
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    Conclusion