Découverte des fonctionnalités de LedaFlow

Géométrie de test

Avant de commencer notre projet, nous avons suivi plusieurs tutoriels de Kongsberg, présentant plusieurs cas classiques que LedaFlow peut traiter. La géométrie utilisée est la même dans tous les cas :

En zoomant uniquement sur la partie "FlowLine", on distingue les changements de pentes :

 

Cette géométrie est constituée d'un pipeline (désigné Wellbore 1) et d'un riser (désigné FlowLine), reliés par une vanne. Cette installation permet de connecter la tête de puit (Well) à la station de traitement.

On impose des conditions de flux en entrée, et de pression en sortie.

 

Equations utilisées par LedaFlow

Système d'équations

LedaFlow résout plusieurs équations modélisant des écoulements multiphasique en conduite. En tenant compte de la géométrie particulière de ces écoulements, on se ramène à un système d'équation 1D selon la direction de la conduite. En effet, les composantes de la vitesse sur les autres directions sont faibles et surtout n'influent que très peu sur la nature et le comportement de l'écoulement.

Lors de la création d'un nouveau cas, LedaFlow propose des modèles :

  • 1D, diphasique (liquide et gaz)
  • 1D, triphasique (deux liquides, généralement huile et eau, et gaz)

On a donc, dans le cas général, 3 phases continues et des phases dispersées, comme on peut le voir sur le schéma suivant :

Source : https://www.akersolutions.com/PageFiles/13017/6%20LedaFlow%201.0%20Introduction%20.pdf

Le modèle d'équations comprend donc :

  • 9 équations de transport de masse
    • 3 pour les phases continues
    • 6 pour les phases dispersées (bulles et gouttes)
  • 3 équations de quantité de mouvement pour les phases continues
  • 3 équations de la chaleur pour les phases continues

Évidemment, si l'on choisit un modèle à 2 phases, le nombre d'équations est réduit et le temps de calcul plus faible. On peut également, lorsque l'on sait que les phénomènes thermiques ne jouent pas de rôle important dans le phénomène que l'on cherche à mettre en évidence, ne pas résoudre l'équation de la chaleur.

 


 

Paramètres numériques

LedaFlow est un logiciel destiné à être utilisé sur le terrain par des ingénieurs réservoirs, et non pas comme un outil de recherche pur. C'est pourquoi il ne propose pas d'options numériques avancées.

Les seules options offertes à l'utilisateur sont le nombre CFL, le pas de temps maximal, le temps d'échantillonnage (global et local dans le cas d'utilisation de sondes logger) et le choix de l'ordre de discrétisation : faible ou élevé. Ce choix est global pour le temps et l'espace, et il n'est pas possible de savoir quels schémas sont utilisés, ni même leur ordre réel.

Cette orientation, si elle permet effectivement à un utilisateur non spécialiste des paramètres numériques d'obtenir une solution stable et "clé en main", ne nous a pas permis de savoir exactement quels schémas spatiaux et temporels sont utilisés par le solveur. Même l'aide ne précise pas cette information. 

BaseCase

Le cas de base, BaseCase, permet d'obtenir les premiers résultats sur la géométrie présentée précedemment.

 

Propriétés fluides

Pour cela, on utilise une table PVT, qui relie la Pression, le Volume et la Température via une équation d'état. Toutes les grandeurs physiques calculées par le logiciel utilisent cette table.

 


 

Propriétés solides

On définit également le type de matériaux utilisés pour les pipelines. Dans notre cas, nous avons deux sortes de tubes avec des compositions différentes :

Les valeurs de rugosité et les propriétés thermiques sont donc propres à chaque section.

TurnDown

La courbe de turndown est obtenue en simulant plusieurs débit totaux d'entrée, tout en conservant une fraction massique constante. On trace alors la perte de charge entre l'entrée et la sortie du pipeline. Cette perte de charge présente un point d'inflexion, qui est le point ou le slugging se déclenche.

Nous avons obtenu la courbe suivante :

Le point de perte de charge minimum sépare la zone d'écoulement stable, à gauche, de la zone où le slugging a lieu, à droite.

Ce genre d'étude est intéressant pour l'industriel afin de savoir quel est le point de fonctionnement optimal de sa structure en terme de sécurité et de rendement.

 

Slug Mitigation

Gas Lift

Le Gas Lift consiste en une injection d'un certain débit de gaz dans la conduite afin de diminuer la densité du mélange. En effet, en augmentant le ratio gaz/liquide, on évite l'accumulation de liquide dans le Riser et son évacuation se fait de manière continue.

Dans le cas présenté ci-après, le débit de production d'huile est de 2.4 kg/s et celui de gaz est de 5.6 kg/s.

Nous avons ajouté en bas du riser une injection de gaz de débit variable. Nous traçons la pression en sortie du riser en fonction du temps.

 

 

Jusqu'à t=4h, on n'injecte pas de gaz supplémentaire au gaz extrait. La partie bleue de la courbe ci-dessus montre un fort Severe Slugging d'une amplitude d'environ 10 bars d'une période de 0.85 heures.

A partir de t=4h jusqu'à t=6h (courbe rouge), on injecte un faible débit de gaz supplémentaire. Celui-ci a pour effet d'atténuer l'amplitude des oscillations à 3 bars. La période des oscillations est également diminuée à près de 30 minutes. Cependant, ce débit de gaz injecté n'est pas suffisant pour annuler intégralement le Severe Slugging.

En revanche, passé 6h, le gas lift augmente à 5 kg/s. Ce débit permet de casser les slugs. Le débit sortant de gaz et d'huile est alors constant, ce qui assure la continuité de la production.

Comme nous l'avions vu dans le section dédié au Slugging, ce phénomène est néfaste à la production. Il génère des variations forte du débit d'huile produit, chose que l'on souhaite la plus lisse possible.

Shutdown - Cooldown

Dans cette partie, nous nous intéressons au comportement de l'écoulement dans le pipe lorsque simultanément, à  t=10 minutes, on ferme la vanne à l'aval et on coupe le débit entrant de gaz et d'huile.

Ces deux premiers graphes sont tracés au régime établi $t >> 10 minutes$. On observe ci-dessus que de l'huile stagne dans les parties "creuses" du pipe alors que dans les parties bombées, l'huile est logiquement moins présente. On retrouve bien des effets de gravité.

Sur ce deuxième graphe, on observe que les parties les plus remplies en huile sont celles qui mettent le plus de temps à refroidir. La capacité calorifique d'un liquide est largement supérieure à celle d'un gaz.

Enfin, ce dernier graphe représente en tête de riser l'évolution temporelle des débits massiques en fluides. Il confirme bien la fermeture progressive de la vanne entre t= 10 minutes et t= 11 minutes.