Experimental Study of the Pipeline Lubrication for Heavy Oil Transport

Abstract

Heavy oil is accessible in different areas around the world in large amount. Unfortunately its high viscosity makes it difficult to produce and to transport. In this article we focus on transport problems. Pressure drop in the pipes must be lower as possible to limit pump power and to be able to transport in long distance. In the case of heavy oil, the high viscosity leads to huge pressure drop that makes it impossible to simply pump the fluid in single-phase flow, even of large diameter. Different solutions have been developed to transport heavy oil in pipeline like dilution of the crude oil in a lighter one. In this study we experiment a solution that do not modify the viscosity of the oil phase but transform the flow regime of transport: pipeline lubrication. Pipeline lubrication is a technique based on core-annular flow regime and used for pressure drop reduction in the transport of very viscous products. A thin water film adjacent to the internal pipe wall lubricates the internal oil core leading to a longitudinal pressure gradient reduction. An experimental study has been carried out where the influence of the different parameters, which could affect the lubrication process, has been optimised, using water as the annulus and heavy oil as the core of the flow. The tests were conducted in steady laminar flow at moderate flow rates. The results, obtained with annular water injection at the pipe wall, show a pressure drop reduction over than 90% as compared with the same product in flow without lubrication. These results confirm the effectiveness of the lubricating process for heavy oil transport. We also showed that density difference is responsible to particular evolution of the pressure drop with the flow rate. Le transport de matières épaisses joue un rôle important dans de nombreux secteurs économiques, notamment dans l'industrie pétrolière. En effet, les huiles lourdes présentent un grand intérêt pour le renouvellement des réserves d'hydrocarbures car l'ordre de grandeur des quantités en place serait proche des volumes connus d'huiles conventionnelles. Cependant, la très grande viscosité de ces produits complique largement leur exploitation et leur transport. Dans cette étude, nous proposons l'utilisation d'une technique de lubrification pariétale permettant une réduction importante de la perte de charge d'écoulement lors du transport des huiles lourdes. Cette technique est basée sur l'injection d'un fluide à faible viscosité susceptible de former une couche pariétale entre la paroi de la conduite et l'huile visqueuse formant le noyau de l'écoulement. La déformation du fluide se fait alors préférentiellement dans la couche pariétale de faible viscosité, engendrant ainsi une réduction de la perte de charge globale lors du transport. L'injection de lubrifiant ne se justifie que lorsque la viscosité du produit à pomper est largement supérieure à celle du produit injecté. On obtient alors un profil de vitesse de type « bouchon » dans le pipeline. Les résultats des essais de lubrification pour une huile lourde ont montré des taux de réduction des pertes de charge dépassant 90 %, comparés à ceux obtenus pour la même huile en écoulement non lubrifié. Cette technique permet donc d'envisager des réductions considérables de la puissance de pompage nécessaire pour le transport de pétrole fortement visqueux. Dans cette étude, nous avons analysé la modification de perte de charge engendrée par la lubrification pariétale ainsi que les différents paramètres de l'écoulement et nous avons mis en évidence le rôle important de la différence de densité entre l'huile et l'eau de lubrification.