Waxy crude oil flow in porous media
In this study, we investigate the rheology of waxy crude oil in a porous media tube. We simplify the oil rheology, neglecting thixotropic effects, and we use Carbopol gels as prototype material since they display similar rheological behavior. The Saramito-Herschel-Bulkley (SHB) constitutive equation...
Κύριος συγγραφέας: | |
---|---|
Άλλοι συγγραφείς: | |
Γλώσσα: | English |
Έκδοση: |
2022
|
Θέματα: | |
Διαθέσιμο Online: | https://hdl.handle.net/10889/23771 |
id |
nemertes-10889-23771 |
---|---|
record_format |
dspace |
institution |
UPatras |
collection |
Nemertes |
language |
English |
topic |
Waxy crude oil Porous media Elastovisco-plastic Carbopols Saramito Παραφίνες Πορώδεις αγωγοί |
spellingShingle |
Waxy crude oil Porous media Elastovisco-plastic Carbopols Saramito Παραφίνες Πορώδεις αγωγοί Λουκάς, Μιχαήλ Waxy crude oil flow in porous media |
description |
In this study, we investigate the rheology of waxy crude oil in a porous media tube. We simplify the oil rheology, neglecting thixotropic effects, and we use Carbopol gels as prototype material since they display similar rheological behavior. The Saramito-Herschel-Bulkley (SHB) constitutive equation is used to predict the elasto-visco-plastic effects. Τhe rheology of the Carbopol solutions recent is based on recent studies of Lopez and Pourzahedi. The problem is considered in cartesian coordinates assuming axial symmetry. The governing equations are solved numerically using the open-source toolbox based on OpenFOAM, namely RheoTool is used to simulate the flows, and it’s based on finite-volume element solvers. The purpose of this study is to examine the pressure drop, that needs to set the material in motion (one phase problem) and its displacement from gas-CO2 in an undulating tube (two-phase problem).
Firsty, we examine the one-phase problem by setting a steady inlet U_x velocity and we analyze the rheology of Carbopol. We implement three different fixed inlet velocities and we investigate the elasto-viscoplastic phenomena. Then, in the two phase problem we use a two-phase simulation, using pressurized carbon dioxide (CO2) to set in motion the initially static carbopol in the tube. We implement a steady pressure in the CO2, at the inlet of the tube. We start with 300 Pa and we escalate to 450 Pa and 600 Pa in an attempt to investigate the total time that needs the air phase to displace the Carbopol solutions out of the pipe and it’s remaining percentage in the pipe. Also the rheology of the fluids and the normal and shear stresses are analyzed in the tube and around the gas/fluid interface.
In all cases, we decrease the Rmin/R¬max from 0.7 to 0.5 and finally to 0.3. Also, we plot the normal and shear stresses to investigate the visco-elastic effects and the yielded/unyielded regions to display the visco-plasticity.
With increasing velocity fields, we observe more intense visco-elastic phenomena since, the resulting pressure gradient and normal stresses are increased, while a slight deviation between the velocity streamlines takes place. Also, the decreasing Rmin/R¬max ratio leads to more intense viscoelastic effects since the actual channel geometry determines the ratio of shearing and extensional contribution.
As regards the materials, the 0.1% Carbopol solution from Pourzahedi study, is defined with higher consistency index k than the respective carbopol with 0.1% Carbopol solution from Lopez study. A higher consistency index leads to higher visco-elastic stresses and a higher pressure drop to sustain the steady inlet flow. In the gas-displaced experiment, Pourzahedi’s Carbopol is deformed much more difficult since it needs the longest time to be displaced from the CO2 gas phase. |
author2 |
Loukas, Michail |
author_facet |
Loukas, Michail Λουκάς, Μιχαήλ |
author |
Λουκάς, Μιχαήλ |
author_sort |
Λουκάς, Μιχαήλ |
title |
Waxy crude oil flow in porous media |
title_short |
Waxy crude oil flow in porous media |
title_full |
Waxy crude oil flow in porous media |
title_fullStr |
Waxy crude oil flow in porous media |
title_full_unstemmed |
Waxy crude oil flow in porous media |
title_sort |
waxy crude oil flow in porous media |
publishDate |
2022 |
url |
https://hdl.handle.net/10889/23771 |
work_keys_str_mv |
AT loukasmichaēl waxycrudeoilflowinporousmedia AT loukasmichaēl roēargoupetrelaiouseporōdesmeso |
_version_ |
1771297139087900672 |
spelling |
nemertes-10889-237712022-11-09T04:34:27Z Waxy crude oil flow in porous media Ροή αργού πετρελαίου σε πορώδες μέσο Λουκάς, Μιχαήλ Loukas, Michail Waxy crude oil Porous media Elastovisco-plastic Carbopols Saramito Παραφίνες Πορώδεις αγωγοί In this study, we investigate the rheology of waxy crude oil in a porous media tube. We simplify the oil rheology, neglecting thixotropic effects, and we use Carbopol gels as prototype material since they display similar rheological behavior. The Saramito-Herschel-Bulkley (SHB) constitutive equation is used to predict the elasto-visco-plastic effects. Τhe rheology of the Carbopol solutions recent is based on recent studies of Lopez and Pourzahedi. The problem is considered in cartesian coordinates assuming axial symmetry. The governing equations are solved numerically using the open-source toolbox based on OpenFOAM, namely RheoTool is used to simulate the flows, and it’s based on finite-volume element solvers. The purpose of this study is to examine the pressure drop, that needs to set the material in motion (one phase problem) and its displacement from gas-CO2 in an undulating tube (two-phase problem). Firsty, we examine the one-phase problem by setting a steady inlet U_x velocity and we analyze the rheology of Carbopol. We implement three different fixed inlet velocities and we investigate the elasto-viscoplastic phenomena. Then, in the two phase problem we use a two-phase simulation, using pressurized carbon dioxide (CO2) to set in motion the initially static carbopol in the tube. We implement a steady pressure in the CO2, at the inlet of the tube. We start with 300 Pa and we escalate to 450 Pa and 600 Pa in an attempt to investigate the total time that needs the air phase to displace the Carbopol solutions out of the pipe and it’s remaining percentage in the pipe. Also the rheology of the fluids and the normal and shear stresses are analyzed in the tube and around the gas/fluid interface. In all cases, we decrease the Rmin/R¬max from 0.7 to 0.5 and finally to 0.3. Also, we plot the normal and shear stresses to investigate the visco-elastic effects and the yielded/unyielded regions to display the visco-plasticity. With increasing velocity fields, we observe more intense visco-elastic phenomena since, the resulting pressure gradient and normal stresses are increased, while a slight deviation between the velocity streamlines takes place. Also, the decreasing Rmin/R¬max ratio leads to more intense viscoelastic effects since the actual channel geometry determines the ratio of shearing and extensional contribution. As regards the materials, the 0.1% Carbopol solution from Pourzahedi study, is defined with higher consistency index k than the respective carbopol with 0.1% Carbopol solution from Lopez study. A higher consistency index leads to higher visco-elastic stresses and a higher pressure drop to sustain the steady inlet flow. In the gas-displaced experiment, Pourzahedi’s Carbopol is deformed much more difficult since it needs the longest time to be displaced from the CO2 gas phase. Στην παρούσα εργασία, μελετάμε τη ροή του υψηλής συγκέντρωσης σε παραφίνες, αργού πετρελαίου, σε έναν πορώδες αγωγό. Απλοποιούμε την ροή, αγνοώντας τα θιξοτροπικά φαινόμενα και χρησιμοποιούμε ως πρότυπο υλικό διαλύματα γέλων με Carbopol, καθώς εμφανίζουν όμοια ρεολογική συμπεριφορά. Για την πρόβλεψη των ιξωδο-ελαστοπλαστικών φαινομένων χρησιμοποιείται το μοντέλο Saramito-Herschel-Bulkley (SHB). Η ρεολογία των διαλυμάτων με Carbopol, βασίζεται στις πρόσφατες έρευνες των Lopez και Pourzahedi. Το πρόβλημα επιλύεται σε καρτεσιανές συντεταγμένες θεωρόντας αξονική συμμετρία. Οι εξισώσεις της ροής επιλύονται στο ανοιχτής πρόσβασης λογισμικό RheoTool βασισμένο στο OpenFOAM, που επιλύει με την μέθοδο των πεπερασμένων όγκων. Ο σκοπός αυτής της εργασίας είναι η εύρεση της απαραίτητης πτώσης πίεσης ώστε να θέσει το υλικό σε σταθερή ροή (πρόβλημα μονής φάσης) καθώς και η μετατόπιση του από αέριο CO2 μέσα σε έναν σωλήνα με ημιτονοειδή τοιχώματα (πρόβλημα δυο φασεων). Αρχικά μελετάται το μονοφασικό πρόβλημα θέτοντας στην είσοδο σταθερή U_x ταχύτητα ώστε να υπολογιστεί η απαραίτητη πτώση πίεσης ενώ ταυτόχρονα αναλύεται η ροή των διαλυμάτων Carbopol. Επιβάλουμε τρεις διαφορετικές ταχύτητες εισόδου, 0.5, 0.1 και 0.01 m s-1 ενώ ταυτόχρονα μελετούμε τα ιξωδο-ελαστοπλαστικά φαινόμενα. Έπειτα, στην προσομοίωση δύο φάσεων, στην είσοδο του σωλήνα, εφαρμόζεται σταθερή πίεση στο αέριο διοξείδιο του άνθρακα ώστε να παρασύρει το αρχικά στάσιμο διάλυμα Carbopol μέσα στον σωλήνα. Αρχικά εφαρμόζεται πίεση ίση με 300 Pa και στην συνέχεια 450 και 600 Pa ώστε να μελετήσουμε τον χρόνο που απαιτείται για την μετατόπιση του διαλύματος έξω από τον σωλήνα, αλλά και το ποσοστό του εναπομένοντος υλικού μέσα σε αυτόν. Ταυτόχρονα αναλύεται η ροή μέσα στον αγωγό όσο και γύρω από την διεπιφάνεια του υγρού/αερίου, καθώς και οι κάθετες και οι διατμητικές τάσεις για την εξήγηση των φυσικών μηχανισμών. Και στα δυο είδη πειραμάτων μειώνουμε τον λόγο ελάχιστης και μέγιστης ακτίνας, Rmin/Rmax (R*) από 0.7 σε 0.5 και τελικά σε 0.3. Εντονότερα πεδία ταχύτητας οδηγούν σε αύξηση των ιξωδοελαστικών φαινομένων, αφού παρατηρείται αύξηση στην πτώση πίεσης και στις κάθετες τάσεις ενώ παρατηρείται ήπια απόκλιση μεταξύ των ροϊκών γραμμών. Η μείωση του λόγου των διαμέτρων Rmin/Rmax oοδηγεί σε εντονότερα ιξωδοελαστικά φαινόμενα αφού η γεωμετρία του αγωγού καθορίζει την ένταση των διατμητικών και εκτατικών ροών. Όσον αφορά την ρεολογία των υλικών που χρησιμοποιούνται, το διάλυμα με 0.1% Carbopol από την έρευνα των Pourzahedi χαρακτηρίζεται από υψηλότερη τιμή του όρου k, σε σύγκριση με το αντίστοιχο Carbopol διάλυμα 0.1% από τους Lopez. H αύξηση του όρου k οδηγεί σε υψηλότερες ιξωδοελαστικές τάσεις και πτώσεις πίεσης με σκοπό να διατηρηθεί σταθερή η ροή στον αγωγό. Στην προσομοίωση με τις δυο φάσεις, το Carbopol των Pourzahedi παραμορφώνεται δυσκολότερα από την αέρια φάση καθώς χρειάζεται υψηλότερο χρόνο για να μετατοπιστεί έως την έξοδο του σωλήνα. 2022-11-08T06:44:42Z 2022-11-08T06:44:42Z 2022-07-11 https://hdl.handle.net/10889/23771 en Attribution-NoDerivs 3.0 United States http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/us/ application/pdf |