Date : 2024
Type : Livre / Book
Type : Thèse / ThesisLangue / Language : anglais / English
Résumé / Abstract : L'extraction sous-marine du pétrole inclut le transport d'émulsions eau-dans-huile (E/H) concentrées, stabilisées par des tensioactifs naturellement solubles dans le pétrole, et transporté dans des pipelines horizontaux sur de longues distances, jusqu'à 50 km. En raison de ces longs séjours, les configurations d'écoulement sont susceptibles de passer d'un état entièrement stratifié à un état entièrement dispersé ou vice-versa. Ces transitions sont induites par des processus tels que la sédimentation, la migration induite par le cisaillement et la coalescence. Ces processus sont influencés par les propriétés du liquide et de l'interface, la concentration de la phase dispersée, les régimes d'écoulement et la taille des gouttes. Cette thèse porte sur les écoulements horizontaux d'émulsions E/H concentrées.Des méthodes et des appareils expérimentaux uniques sont conçus pour visualiser localement l'écoulement de ces émulsions. En introduisant divers composants dans l'eau et dans une huile alcane, l’indice de réfraction entre les deux phases est ajusté, tout en contrôlant la différence de densité. Ce contrôle permet d'étudier l'interaction entre les forces de flottabilité et hydrodynamiques, ce qui est primordial pour étudier la migration des particules dans ces écoulements. Les profils de vitesse sont obtenus par Particle Image Velocimetry (PIV) en introduisant des particules fluorescentes dans la phase huile, tandis que la topologie des phases est obtenue en ajoutant un fluorophore à l'intérieur de la phase huile également. Des expériences en lit statique sont faites, fournissant des résultats concernant la métastabilité des émulsions E/H sur de longues périodes, où seule la gravité contrôle le processus de coalescence. Les expériences en écoulement cisaillés sont réalisées dans un Couette Plan Annulaire représentant un écoulement Couette plan courbé sur lui-même. Cette géométrie est choisie pour sa périodicité et sa capacité à présenter un plan de cisaillement vertical dans la même direction que la gravité.L'étude de la transition entre les écoulements stratifiés-dispersés et les écoulements pleinement dispersés a permis de mettre en évidence différents régimes. Ces régimes sont : le régime d’expansion, à vagues, d’éjections et pleinement dispersé. A partir d'un lit d'émulsion au repos, la vitesse de rotation du rotor est augmentée jusqu’à atteindre l’écoulement pleinement dispersé. A faible cisaillement, le lit s’expand jusqu'à atteindre une hauteur d'équilibre. Aux cisaillements moyens, le lit est déstabilisé et des vagues d'émulsion se forment dans la direction azimutale. À cisaillement élevés, les vagues sont fortement déformées, isolant les gouttelettes d'eau de leur amas d'émulsion à viscosité élevée. Cela conduit à leur éjection dans les vagues déferlantes, vidant progressivement le lit d'émulsion. Enfin, le régime de dispersion totale est atteint lorsque le lit d'émulsion a entièrement disparu. Dans ce régime, la migration des gouttelettes est contrôlée par la diffusion induite par cisaillement. Il est démontré que les transitions entre chaque régime dépendent d'un seul nombre de Froude critique.La métastabilité de ces émulsions E/H concentrées est également étudiée en comparant les résultats des expériences en statique aux écoulement cisaillés. Ces résultats ont montré que dans des conditions statiques, l'émulsion E/H est hautement métastable, alors que dans des écoulements cisaillés, la même couche E/H a coalescé jusqu'à la formation d'une couche entièrement continue de phase aqueuse. Cela peut s'expliquer par les caractéristiques uniques de ces émulsions, qui sont stabilisées par des multicouches de micelles de tensioactifs, et ces multicouches sont percées par le taux de cisaillement.Ces connaissances permettront de construire de nouveaux modèles de transport pour le dimensionnement précis d’appareils industriels traitant des écoulements multiphasiques (pompes, mélangeurs, séparateurs de phase...).
Résumé / Abstract : The subsea extraction of petroleum encompasses the transport of concentrated water-in-oil (W/O) emulsions, stabilized by natural oil-soluble surfactants, like asphaltenes, acids and alcohols, in horizontal pipelines over long distances, up to 50 km. Due to these long residence times, flow configurations are liable to change from fully-stratified to fully-dispersed or vice-versa, including an intermediate stratified-dispersed state. These transitions are driven by processes such as sedimentation, shear-induced migration and coalescence. These processes are influenced by liquid and interface properties, dispersed-phase concentration, flow regimes, and drop size. This Phd focuses on horizontal flows of concentrated W/O emulsions.Unique experimental methods and apparatuses are designed in order to locally visualize the flow of such emulsions. By introducing various components in water and in an alkane oil, refractive index matching is achieved between both phases, while controlling the density difference. The control of density difference allows for the study of the interplay between buoyancy and hydrodynamic forces, which is primordial to study particle migration in dispersed-phase flows. Velocity profiles are obtained with Particle Image Velocimetry by introducing fluorescent particles in the oil phase while phase topologies are obtained with adding a fluorophore inside the oil phase as well.Static-bed experiments are carried out in a static-bed apparatus, providing results regarding the metastability of W/O emulsions over long-time periods, where only gravity controls the coalescence process. Shear-flow experiments are performed in an Annular Plane Couette device, representing a plane Couette curved around itself. This geometry is selected for its periodicity and its ability to present a vertical plane of shear in the same direction as gravity.By studying the transition from stratified-dispersed to fully-dispersed flows, different regimes have been highlighted. These regimes are : the bed-expansion, the wavy, the drop-ejection and the fully-dispersed regime. Starting from an emulsion bed left at rest at the bottom of the APC channel, the rotation speed of the top annular lid is increase, up until the fully-dispersed regime. At low shear rates, the emulsion bed expands until it reaches an equilibrium height. At medium shear rates, the emulsion bed is destabilized and emulsion waves are formed along the azimuthal direction, which statistics have been computed with a wave detection algorithm. At high shear rates, the waves are highly deformed, isolating water droplets, surfing atop of waves, from their emulsion cluster and its high viscosity. This leads to their ejection in breaking waves, which gradually depletes the emulsion bed. Finally, the fully-dispersed regime is reached when the emulsion bed has dissapeared and the entire channel is filled with water droplets. In this regime, the migration of droplets is controlled by shear-induced diffusion. The transitions between each regime are shown to be dependent on a single critical Froude number, from low values to high values of this dimensionless parameter.The metastability of these concentrated W/O emulsions are also studied by comparing the results between static-flow and shear-flow experiments. These results showed that in static conditions, the W/O emulsion is highly metastable (no coalescence over few months of observations), while in shear flows, the same W/O layer coalesced up until a fully-continuous layer of water phase is formed. This may be explained by the unique characteristics of such emulsions, which are stabilized by multilayer of surfactant micelles, and these multilayers are pierced by the shear rate.This knowledge will help to build new transport models for accurate sizing of industrial devices dealing with two-phase flow of emulsions (pumps, mixers, phase separators …).