Röntgenaufnahmen von Schwallströmungen in Rohrleitungen

In Öl- und Gaszeugungssystemen stoßen Chemieingenieure für gewöhnlich auf die Strömung einer dreiphasigen Mischung in Brunnen und Rohrleitungen. Vier der führenden europäischen F&E-Gruppen zum Thema Mehrphasen-Strömung haben sich mit vereinten Kräften bemüht, um das momentane Wissen über Dreiphasen-Strömungen zu erweitern und sich dem Problem Schwallströmung zu widmen.

Die Strömung von mehrphasigen Flüssigkeiten wird durch den gleichzeitigen Fluss von unvermischbaren Flüssigkeiten mit verschiedenen Phasenverteilungen wie Wasser, Öl und Gas charakterisiert. Die Form, in der die verschiedenen Flüssigkeiten im Rohr vorkommen, auch bekannt als Strömungsbedingungen, spielt eine wichtige Rolle beim hydrodynamischen Verhalten eines Produktionssystems in Öl- und Gasbrunnen.

Bei der Schwallströmung handelt es sich um eine Strömungsbedingung, die für gewöhnlich bei Offshore-Mehrphasen-Strömungslinien beobachtet wird. Sie wird charakterisiert durch eine Reihe von flüssigen Propfen (Schwälle), die von großen Gasporen (Blasen) getrennt werden. Die Schwallströmung kann aufgrund ihrer transienten und unterbrechenden Wirkung schwerwiegende Instabilitäten und operationale Schwierigkeiten an einem Produktionssystem verursachen. Die Verwendung von mathematischen Strömungsmodellen und Simulationssoftware-Tools hat nützliche Instrumente für die Analyse und Realisierung von auf Mehrphasen-Technologie basierenden Transportsystemen erzeugt.

Im Rahmen des von der EU geförderten Projekts THREEPLEX wurden neue Gamma- und Röntgenstrahlenmessinstrumente entwickelt, um die Eigenschaften von Dreiphasen-Strömungen oder ihre Verteilung in den Schwällen messen zu können. Zu diesen Geräten gehört eine große Auswahl an Gamma-Dichtemessern (mit einzelnen und mehreren Strahlen, doppelter und einfacher Energie, überkreuzt und fest) sowie ein Röntgen-Tomographiesystem einschließlich der Entwicklung eines relativen tomographischen Algorithmus zur Dateninterpretation. Die neuartige Instrumentation ermöglichte die Bestimmung von durchschnittlichen und zeitlich variierenden Bruchteilen (Öl, Wasser und Gas) und die Aufzeichnung und Messung von Schwällen in einem Testbereich.

Zusätzlich wurden Daten zu den Prozessen, die zur Schwallbildung führen, sowie zur Herausbildung in den horizontalen und V-Geometrien erhoben. Bei einer horizontalen Strömung, sowohl mit zwei als auch drei Phasen, traten die Schwälle vermehrt am Rohreinlass auf, wobei die Anzahl der Schwälle mit zunehmendem Abstand vom Rohreinlass abnahm. Für die Dreiphasen-Strömung fand man zudem heraus, dass das Auftreten von Schwällen mit der Viskosität der Flüssigkeit zunimmt. Für V-förmige Rohre wurde gezeigt, dass die Schwallbildung vom Wasserstand abhängt. Wenn der Wasserstand hoch war, wurden in der absteigenden Seite des Vs Schwälle gebildet. Bei einem niedrigen Wasserstand aber war eine gestufte (geschichtete) Strömung vorherrschend.

Die entwickelte Ausrüstung und die Daten zur Schwallherausbildung können für die Strömungsmessung von komplexen Mehrphasen-Strömungen auf vielfältige Art und Weise angewendet werden. Daraus ergeben sich neue Möglichkeiten für die Zusammenarbeit mit Herstellern ähnlicher Messausrüstungen oder Forschern aus diesem Bereich.

Kontakt:

Prof. Geoffrey F. Hewitt
Imperial College of Science, Technology and Medicine
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