Influence des conditions opératoires pour minimiser le slug hydrodynamique

Conditions opératoires

Dans cette partie, on ne s'intéresse qu'au slug hydrodynamique. En effet, le severe slugging a une influence sur la régularité de la production mais ne pose pas de grands problèmes de sécurité, contrairement au slug hydrodynamique qui crée des instabilités pouvant dégrader les structures de production.

Nous avons donc mené des études paramétriques sur les variables d'ajustement :

​​Ces deux possibilités représentent les moyens qu'ont les opérateurs pour contrôler la production sur site.

Influence de la vanne

Étude de l'ouverture de la vanne

Afin de minimiser les effets du slug hydrodynamique, nous avons joué sur l'ouverture de la vanne. Il nous a paru également intéressant de mettre en évidence l'influence de la vanne sur le severe slugging. Afin d'effectuer notre étude, nous nous sommes volontairement placé à une ouverture de vanne supérieure à celle utilisé sur le champ étudié. Ainsi, nous mettons en évidence les deux type de slug. Pour le reste des paramètres nous nous sommes placés dans les conditions suivantes :

  • Ordre de discrétisation :     élevé
  • Maillage :                          10D
  • Module Slug Capturing :     Non
  • Débit de gas lift :               57500 kSm3/d

 

Sur la première partie de la courbe (ouverture de vanne comprise entre 0.7 et 0.65), on remarque qualitativement l'atténuation voire l'annulation du severe slugging lorsqu'on ferme la vanne. En effet, par conservation du débit, la vitesse du mélange augmente dans la conduite et l'accumulation de liquide est moins susceptible de se produire.

Cependant, le slug hydrodynamique reste le centre de notre étude. Nous nous concentrons donc sur des ouvertures de vanne comprises entre 0.6 et 0.55 où le severe slugging disparaît et laisse uniquement place au slug hydrodynamique.

 

 

Qualitativement voici les résultats que nous obtenons pour un calcul effectué avec un maillage 10D.

$Ouverture\ de\ vanne$ $Amplitude\ (bars)$ $Fréquence\ (slugs/h)$ $\bf \frac{t_{cpu}}{t_{\phi}}$

$0.55$

$2.8$ $38.9$

$1.19$

$0.6$

$2.3$ $42.5$

 

Si l'influence de l'ouverture de la vanne sur la fréquence des slugs hydrodynamique est presque négligeable, on voit que plus l'ouverture de la vanne est grande, plus l'amplitude des slugs est faible. Cependant, on a vu qualitativement que si la vanne est trop ouverte, du severe slugging apparaît. Le point de fonctionnement idéal est donc l'ouverture de vanne maximale ne produisant pas de severe slugging.

Ces résultats ont été obtenus dans une configuration idéale où les débits d'entrée sont constants, contrairement à la réalité où les débits en sortie de puits sont fluctuants. Ainsi, il nous est possible de déterminer un point de fonctionnement idéal dans notre cas, mais il ne correspond pas à une représentation crédible de la réalité. Pour preuve, on observe sur les données champ des chutes de pression non périodiques et probablement dues à de fortes variations sur les débits en sortie de puits, qui entraînent un slugging terrain.

Influence du Gas Lift

Étude du débit de gas lift

Dans cette partie, on s'intéresse à l'influence du gas lift sur les résultats obtenus en sortie : pression, amplitude et fréquence des slugs, temps de calcul CPU...

Nous avons déjà vu dans les tutoriels que le gas lift pouvait être utilisé pour annuler du severe slugging, en abaissant la densité du mélange. Nous nous concentrons donc ici sur le slug hydrodynamique.

​On fixe l'ouverture de vanne à 0.49, on choisit un schéma de résolution High Order en temps et en espace et on lance les calculs sans le module Slug Capturing pour un maillage 10D.

On remarque que l'amplitude des slugs augmente avec le gas lift. On retrouve également des valeurs assez proches des données champ pour un gas lift de 57500 en ce qui concerne la pression en amont de vanne tête de riser.

Nous résumons les résultats obtenus dans le tableau ci-dessous :

 

$Gas\ Lift\ (Sm^{3}/jour)$ $Amplitude\ (bars)$ $Fréquence\ (slugs/h)$ $\bf \frac{t_{cpu}}{t_{\phi}}$
$0$ $1.0$ $28.7$ $1.26$
$25000$ $3.3$ $31.6$
$57500$ $3.6$ $36.4$
$75000$ $4.0$ $38.2$

 

La solidité des structures peut être mise en danger pour des fréquences de slugs hydrodynamique élevées. Il semble alors recommandé de diminuer au maximum le débit de gas lift injecté. D'une part cette fréquence diminue, et d'autre part l'amplitude des oscillations est également atténuée. Cependant, nous connaissons l'utilité première du gas lift : limiter le severe slugging.

Dans cette optique, le point de fonctionnement idéal est d'utiliser le débit de gas lift minimum qui permet de supprimer le severe slugging. Étant donnée la précision de nos résultats expérimentaux et les erreurs possibles sur les données champs, donner une valeur de gas lift idéale serait trop optimiste.

Synthèse et recommandations

Synthèse et recommandations

Le slugging hydrodynamique est celui qui pose le plus de problème vis à vis de la sécurité des installations. Cette étude avait donc pour but d'imposer des conditions expérimentales idéales pour minimiser l'impact de ce slugging. Cela impliquait d'en diminuer les amplitudes et surtout la fréquence, puisque l'on sait que les structures sont particulièrement mises en danger par les hautes fréquences.

Cependant, éviter le severe slugging présente un intérêt non négligeable du point de vu de la régularité de la production. Le séparateur installé en bout de ligne nécessite un débit d'entrée le plus constant possible, et de plus avec des variations de l'ordre de 180% comme on l'observe sur le champ réel, un problème d'engorgement peut apparaître. Il faut donc prendre en compte le severe slugging potentiel lors du dimensionnement de l'installation.

Nous avons alors conclu qu'un point de fonctionnement idéal serait, par rapport à nos deux variables d'ajustement :

  • une ouverture de vanne la plus grande possible tout en évitant le severe slugging
  • un débit de gas lift le plus faible possible tout en annulant le severe slugging

Étant donnée la précision de nos résultats expérimentaux et les erreurs possibles sur les données champ, donner une valeur de gas lift idéale ou une ouverture de vanne idéale serait trop optimiste.

En revanche, il apparaît clair que ces deux variables d'ajustement ne sont pas équivalentes.

Le gas lift a pour but premier d'augmenter la fraction volumique de gaz dans le mélange afin d'en diminuer la masse volumique (globale) et donc de réduire les problèmes d'engorgement causés par la pression hydrostatique. Il est donc préférable de réserver son utilisation pour la slug mitigation, car son utilisation excessive augmente la fréquence et l'amplitude du slug hydrodynamique.

La vanne, quant à elle, permet de modifier le gradient de pression dans le pipeline et donc la vitesse de l'écoulement. Son utilisation pour tenter de réduire le slug hydrodynamique est possible, en gardant à l'esprit que si l'on ouvre trop, du slug terrain peut apparaître.