Υπολογιστική διερεύνηση πολυφασικής ροής υγρών-αερίων-στερεών σε κατακόρυφους αγωγούς μεγάλου μήκους και εφαρμογή σε εγκαταστάσεις εξόρυξης πετρελαίου
Authors: Γιαννούλης Δημήτριος-Περικλής 
Published: September 2021

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η υπολογιστική διερεύνηση τηςπολυφασικής ροής που δημιουργείται στο εσωτερικό του συστήματος DIFIS κατά τη χρήση τουως σύστημα έγκαιρης επέμβασης σε περιπτώσεις υπεράκτιων υποθαλάσσιων εκρήξεων.Το σύστημα DIFIS, αποτελείται από την ανεστραμμένη χοάνη, η οποία συλλέγει αρχικά τοδιαρρέον μίγμα, τον αγωγό ανύψωσης και μια αποθηκευτική δεξαμενή. Είχε αρχικά σχεδιαστείγια την επέμβαση σε περιπτώσεις διαρροών από ναυάγια, βασιζόμενο στη διαφοράπυκνοτήτων μεταξύ του πετρελαίου και του θαλασσινού νερού, η οποία δημιουργεί τηναπαραίτητη άνωση ώστε να οδηγηθεί το πετρέλαιο ελεγχόμενα μέσω του αγωγού ανύψωσηςστην αποθηκευτική δεξαμενή.Στις περιπτώσεις υποθαλάσσιων εκρήξεων, η παρουσία φυσικού αερίου στο διαρρέονμίγμα σε συνδυασμό με τους ιδιαίτερα αυξημένους ρυθμούς ροής σε σχέση με τα ναυάγια,καθώς και η ύπαρξη θαλάσσιων ρευμάτων που μπορούν να παρασύρουν το μίγμα εκτόςσυστήματος, καθιστούν αναγκαία την αναθεώρηση των διαστάσεων και της θέσης του,προκειμένου να εξασφαλισθεί η απρόσκοπτη λειτουργία του. Εξετάζονται τα είδη διφασικής,τριφασικής και τετραφασικής ροής που αναπτύσσονται στο εσωτερικό με την παρουσίαθαλασσινού νερού και ποσοτήτων πετρελαίου, μεθανίου αλλά και υδριτών μεθανίου.Σε πρώτο στάδιο, πραγματοποιείται προκαταρκτική μελέτη με τη χρήση θεωρητικούμοντέλου βασισμένου στην ομογενή διφασική ροή νερού - πετρελαίου και κατόπιν διδιάστατηαξονοσυμμετρική και τρισδιάστατη υπολογιστική προσομοίωση, στις οποίες μελετώνται 4 είδηπετρελαίου διαφορετικών ιδιοτήτων.Στη συνέχεια, για την αναλυτικότερη μελέτη του συστήματος επιλέγονται δύο ενδεικτικοίτύποι πετρελαίου που συναντώνται στον κόλπο του Μεξικού (Mars crude oil) και στο πεδίοNorne (Svale crude oil), ανοικτά των Νορβηγικών ακτών και εξετάζεται αρχικά η θέση στηνοποία πρέπει να τοποθετηθεί το σύστημα, λαμβάνοντας υπόψη για πρώτη φορά τις συνθήκεςθαλασσίων ρευμάτων που επικρατούν στο σημείο της διαρροής, προκειμένου ναεξασφαλισθεί η απορρόφηση του διαρρέοντος μίγματος.Για την ακριβέστερη εκτίμηση της απαιτούμενης διαμόρφωσης του κάτω μέρους τουσυστήματος ώστε να μπορεί να ανταποκριθεί στις τυπικές συνθήκες του σημείου διαρροής,εξετάζονται: Οι μηχανισμοί διάσπασης και η μετέπειτα πλευρική επέκταση της διαρρέουσας δέσμηςκατά την άνοδό της. Η επίδραση των θαλάσσιων ρευμάτων στην τροχιά της διαρρέουσας δέσμης. Η διαμόρφωση της ροής στο εσωτερικό της ανεστραμμένης χοάνης μετά τηντοποθέτησή της σε χαμηλότερο ύψος.Πραγματοποιείται διαστατική ανάλυση δέσμης και στη συνέχεια ανάλυση της τροχιάς μεβάση εμπειρικές σχέσεις που έχουν προκύψει από ικανό αριθμό πειραματικώναποτελεσμάτων για όλες τις εξεταζόμενες περιπτώσεις διαρροής και τα αποτελέσματασυγκρίθηκαν με αυτά των αντίστοιχων προσομοιώσεων. Η παρατηρούμενη έντονη εκτροπή, σεσυνδυασμό με την ύπαρξη μοναδικού σημείου διαρροής ύστερα από την επέμβαση στηνπεριοχή του ατυχήματος και την τοποθέτηση BOP (Blowout Preventer), οδηγεί στηνεπανεκτίμηση των διαστάσεων και της θέσης τοποθέτησης της ανεστραμμένης χοάνης.Στη συνέχεια, μελετάται η διφασική ροή θαλασσινού νερού - πετρελαίου και η τριφασικήθαλασσινού νερού - πετρελαίου - μεθανίου στο εσωτερικό του αγωγού ανύψωσης.Πραγματοποιούνται τρισδιάστατοι αριθμητικοί υπολογισμοί για τα δύο είδη πετρελαίου καιτρεις διαφορετικές περιπτώσεις διαρροής για το καθένα, στα πρώτα μέτρα του αγωγού, μεστόχο να διαφανεί η δυνατότητα του συστήματος να τις απορροφήσει.Παρουσιάζονται αποτελέσματα που αφορούν την κατανομή των φάσεων στο εσωτερικότου αγωγού ανύψωσης, την αναπτυσσόμενη ταχύτητα μίγματος καθώς και τη συσχέτισή τηςμε την παρουσία των δευτερευουσών φάσεων, ενώ κατασκευάζονται ροϊκοί χάρτες πουαναπαριστούν τη συμπεριφορά του μίγματος μέσω της αποτύπωσης των περιοχών ροής καιτων συνθηκών στις οποίες εμφανίζονται. Επιπλέον, γίνεται σύγκριση των ροϊκών χαρτών μεκατάλληλα θεωρητικά μοντέλα διφασικής ροής, προτείνεται ένα νέο μοντέλο για τηνοριοθέτηση μεταξύ δύο παρατηρούμενων ροϊκών περιοχών και αναλύεται η διασύνδεσημεταξύ του ρυθμού παραμόρφωσης της ροής με τη διάσπαση των δομών των δευτερευουσώνφάσεων.Τέλος, εξετάζονται οι θερμοκρασιακές κατανομές που διαμορφώνονται στο εσωτερικό τουαγωγού ανύψωσης και μοντελοποιείται η δημιουργία υδριτών μεθανίου μέσω User DefinedFunction, για την προσομοίωση της τετραφασικής ροής θαλασσινού νερού - πετρελαίου -μεθανίου - υδριτών και τη διερεύνηση της πιθανότητας φραγής της ροής.Στο παρατιθέμενο Παράρτημα, παρουσιάζεται η διαδικασία επιλογής του κατάλληλουμοντέλου τύρβης για την υπολογιστική διερεύνηση, συμπληρωματικά αποτελέσματααναφορικά με την κατανομή πίεσης στο εσωτερικό του αγωγού ανύψωσης, η συνάρτησημετατροπής του μεθανίου σε υδρίτες (User Defined Function) και μια εναλλακτική πρότασηλειτουργίας της αποθηκευτικής δεξαμενής του συστήματος με τη χρήση μεθόδου έγχυσηςαέρα για τη μεταφορά του συσσωρευμένου πετρελαίου.Στόχος της υπολογιστικής διερεύνησης της πολυφασικής ροής στο εσωτερικό τουσυστήματος DIFIS είναι η επέκταση της χρήσης του ως μηχανισμό πρόληψης της ρύπανσης τουθαλάσσιου περιβάλλοντος σε περιπτώσεις υποθαλάσσιων εκρήξεων, με εφαρμογή κατευθείανστο σημείο του ατυχήματος.