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Enseignant : Mr Jean Fabre et Mr  Dominique Legendre
Etudiants :         Sylvain Jardel  et  Stanislas Gendreau

Slugging

Régimes d'écoulement diphasique

Lorsque du gaz et du liquide sont injectés simultanément dans une conduite, l’interface entre les deux fluides peut prendre des formes variées, répertoriées par les scientifiques en configurations ou régime d’écoulements. Ces configurations d’écoulement sont généralement reportées sur des cartes pour des couples de fluides. Sur ces cartes, elles dépendent des variables suivantes : vitesse superficielle du liquide, vitesse superficielle du gaz. Pour une vitesse de gaz et de liquide donnée correspond un régime d’écoulement bien défini sur ces cartes.

Il existe plusieurs régimes d’écoulements diphasiques de bases, la plupart existant à la fois pour des tubes horizontaux ou verticaux :

Ecoulements à bulles :

Le gaz s’écoule sous forme de petites bulles dispersées au milieu de l’écoulement de liquide. Ces bulles sont plus ou moins sensibles aux forces d’inertie et à la turbulence de l’écoulement selon leur taille et la configuration du tube


Ecoulement stratifié :

Pour une conduite plutôt horizontale, à faible flux de gaz et de liquide, l’interface se présente sous la forme d’une surface séparant les deux phases. Sa morphologie est alors contrôlée par  des forces d’inertie qui tendent à la déformer en créant un champ de vagues et par les forces de gravité et de tension superficielle qui tendent  à la maintenir en place. Un tel écoulement est dit stratifié. C’est un écoulement à phases séparées.


Ecoulement annulaire :

A fort flux de gaz, le régime de phases séparées s’installe sous la forme d’un écoulement annulaire. Les forces d’inertie sont prépondérantes vis-à-vis de la force de gravité. Tout en restant continue, l’interface se courbe et le liquide mouille complètement la paroi, en formant un film annulaire autour d’un noyau de gaz. Cet écoulement appartient aussi aux écoulements à phases séparées.


Ecoulements à poches bouchons (slug) :

L’écoulement de type slug est constitué d’une séquence de poches de gaz entourées par un film liquide qui contiennent des bulles. On peut considérer qu’il s’agit d’une configuration mixte constituée d’une succession d’écoulements à bulles et d’écoulement stratifié.

slug1
Figure 1 : Régimes d'écoulement en tube vertical

L’illustration 1 représente les différentes configurations d’écoulement existantes pour un tube de 5 cm de diamètre avec de l’eau et de l’air à pression atmosphérique (d’après Taitel et Al). Sur cette carte sont représentées la vitesse superficielle du liquide en fonction de celle du gaz.

Slug flow (écoulement intermittent)

Le régime d’écoulement le plus original rencontré dans une conduite est le régime dit intermittent. Il se présente comme une alternance dans l’espace er dans le temps de poches de gaz et de bouchons de  liquide. C’est la raison pour laquelle il est aussi appelé « écoulement à poches et bouchons » et dans la littérature anglo-saxonne  « slug flow » qui évoque la forme de limace (slug) des poches en écoulement horizontal ou incliné. Lorsqu’on observe à une échelle de quelques diamètres de conduite, un tel écoulement est instationnaire : un observateur placé en un point fixe de la conduite voit alternativement du gaz et du liquide passer, les poches transportant le gaz, et les bouchons, le liquide. L’écoulement intermittent est observé pour une large gamme de flux de gaz et de liquide et pour différentes inclinaisons de conduite. Ceci explique qu’on le rencontre fréquemment  dans de nombreuses situations pratiques. A ce titre, il présente un grand intérêt pour de nombreux procédés industriels :

- La production d’hydrocarbures et leur transport dans les puits et les puits et les pipelines

- La production géothermique de vapeur

- Les processus d’ébullition et de condensation dans les centrales thermiques, dans les usines chimiques et dans les raffineries

L’intermittence peut amener des problèmes pour le concepteur ou l’opérateur d’installations industrielles. En effet, la vitesse du liquide dans les bouchons est très proche de la vitesse de la vitesse du mélange, alors qu’il y a une vitesse beaucoup plus faible dans le film situé sous les poches. La quantité de mouvement que possède le liquide dans les bouchons génère une force de réaction très importante lors des changements de direction, comme c’est le cas dans les coudes, les tés ou toutes autres singularités. De plus les fluctuations de pression  de basse fréquence, générées par le passage alternatif des poches et des bouchons peuvent exciter la fréquence fondamentale des installations de transport et provoquer des dommages importants. Enfin, le caractère intermittent de l’écoulement impose des contraintes particulières, lors du dimensionnement des séparateurs : on doit en effet assurer que la capacité du séparateur est compatible avec le volume du plus grand bouchon observable, sous peine d’engorger le système.

A l’inverse, il existe aussi de nombreux avantages pratiques qui peuvent résulter de la présence de l’écoulement intermittent. A cause des grandes vitesses du liquide dans les bouchons de liquide, il est possible de déplacer de plus grandes quantités de liquide dans des plus petites conduites qu’il aurait été impossible avec d’autres configurations. En intermittent, compte tenu des vitesses du liquide dans les bouchons.

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Figure 2 : Configuration régime permanent stable du régime à poches et bouchons (slug)

Severe slugging

Le régime slug est un régime stable sauf dans certaines conditions. Lorsqu’une conduite se termine par une élévation verticale ou lorsque le pipeline est ondulé (à cause de la géométrie du terrain sur lequel il est posé), les tronçons les plus bas accumulent  le liquide bloquant ainsi le passage du gaz. Ceci entraine une compression du gaz en amont jusqu’à ce que la pression soit suffisamment importante pour contrer la pression hydrostatique de la colonne de liquide. Le gaz s’expands en poussant la colonne de liquide hors du riser et dans le séparateur.

Ce régime de sévère slugging entraine des périodes de non production de gaz ou de liquide dans le séparateur suivis par des forts débits massique de liquides et de gaz, lorsque le slug est produit. Ce phénomène est fortement indésirable à cause des larges variations de pression et de débit massique qu’il inflige à la structure.

Quatre étapes de formation du severe slugging:

- Formation du slug (illustration 3)

- Production du slug

- Extinction du slug (illustration 4)

- Retour de liquide (illustration 5)

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Figure 3 : Formation du slug
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Figure 4 : Extinction du slug

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Figure 5 : Dernière étape du severe slugging (redescente de liquide)

Pour que le severe slugging puisse avoir lieu, il faut que l’écoulement soit en régime stratifié en amont et que le liquide ait atteint  le haut du tronçon vertical avant que le gaz n’ait pu atteindre le bas. A ce moment le liquide se déverse dans le séparateur avec une vitesse élevée jusqu’à ce que le gaz atteigne le bas de la conduite, puis le fluide restant retombe au fond de la canalisation et le processus peur recommencer.

 L’importante production de liquide peut causer des dégorgements et dommages au niveau du séparateur. Les fluctuations de la production de gaz peuvent entrainer des problèmes lors du torchage et les fortes variations de pression peuvent réduire la capacité de production du gisement pétrolier.


BEI 2009 - Total - Severe slugging