CAPITOLO 2:
Il progetto “Blowout”
Introduzione
La crescente attenzione riposta nel garantire una sempre maggiore sicurezza al personale, unita ad una crescente consapevolezza dell’importanza della riduzione degli impatti che le industrie possono apportare all’ambiente, ha come conseguenza la necessità di sviluppare metodi predittivi per la stima delle cause e degli effetti di incidenti che possono verificarsi durante i processi produttivi. Tali metodi permettono non solo la prevenzione dell’incidente stesso e quindi una migliore pianificazione delle operazioni atte allo sviluppo delle attività ed aggiungono informazioni accessorie necessarie all’adozione di piani di emergenza, qualora si abbia il loro verificarsi. /1/
Un approccio integrato allo studio di cause e conseguenze degli eventi Blowout è stato sviluppato da ENI E&P, con il supporto scientifico di TEA Sistemi e di ENI Tecnologie.
L’obiettivo principale del progetto è quello di rendere disponibile alcune metodologie per la simulazione degli eventi Blowout. Ciascuna di queste sarà caratterizzata da precisione e tempi di applicazioni diverse e la scelta di quale
metodologia applicare dipenderà principalmente dall’importanza della precisione dei risultati da ottenere. In caso di emergenza, la simulazioni dovranno essere di facile sviluppo in modo da ottenere quanto prima i risultati richiesti. Nel caso di applicazioni finalizzate alla prevenzione dell’incidente o nell’ambito di studi di impatto richiesti in fase di autorizzazione alla perforazione il tempo non risulta essere una variabile fondamentale, ragion per cui i risultati, seppur ottenuti con studi più complessi e in tempi maggiori dei precedenti, risulteranno più accurati e precisi.
Il progetto prevede lo sviluppo di tre metodologie diverse:
1. Definire una procedura che utilizzando strumenti complessi di simulazioni computazionali (CFD) fornisce alta precisione e accuratezza dei risultati. Tale metodologia viene definita APPROCCIO 1 o “Best Estimate”
2. Sviluppo di un software per la completa simulazione dell’evento Blowout, flessibile e di semplice utilizzo, utile ad una veloce valutazione quantitativa dei risultati (APPROCCIO 2 o “Standard”) 3. Definire un sistema parametrico, mediante l’utilizzo di tabelle e grafici
per un’immediata valutazione delle condizioni caratteristiche dell’evento APPROCCIO 3 o “Short-cut”
Ciascun approccio sarà caratterizzato inoltre da differenti dati di input, necessari per la loro applicazione, chiaramente in numero crescente a seconda della precisione richiesta dall’approccio stesso.
Schematizzazione di un evento Blowout
L’effettiva eruzione del pozzo di petrolio e il conseguente rilascio degli idrocarburi nell’ambiente circostante (sia questo atmosferico, sottomarino o
sotterraneo), rappresenta solo una parte di quello che caratterizza un evento Blowout nella sua totalità.
Infatti per meglio descrivere tutti i fenomeni che contrassegnano l’incidente è necessario analizzare l’evento suddividendolo in una serie di sotto eventi minori. Ciascun evento è la naturale conseguenza del sotto evento precedente.
Nelle metodologie di analisi i dati di output di un determinato blocco-evento costituiranno i dati di input del sotto evento ad esso successivo.
La seguente figura mostra la schematizzazione dei fenomeni che costituiscono l’evento Blowout.
Caratterizzazione del sistema giacimento/pozzo
Le caratteristiche del complesso giacimento/opera di captazione rappresentano le condizioni al contorno del sistema. Gli effetti indotti dal reservoir sulla totalità dell’evento non possono essere trascurati, poiché influenzano sia la
Getto
Trasporto multifase nel pozzo
Caratteristiche giacimento/pozzo Formazione di gocce
Dispersione di gas
Dispersione delle gocce/Ricaduta al suolo
Deposizione/Infiltrazione
portata in massa trasportata dal sistema, sia tutte le caratteristiche fisiche e chimiche del flusso che risale il pozzo. Tra queste le più importanti e più significative risultano essere: la composizione del fluido, ovvero quali e quante specie chimiche lo compongono, il loro stato fisico-chimico e il rapporto gas/liquido (GOR)
Chiaramente le caratteristiche del flusso relative alla normale produzione del pozzo non possono essere utilizzate poiché non descrivono quello che effettivamente avviene durante lo sviluppo di un’eruzione. Infatti, durante un Blowout, la produttività del pozzo (stimabile attraverso l’indice di produttività PI), a causa della forte depressurizzazione alla sua base, tende ad aumentare grazie alla parziale o totale rimozione dei vari tipi di solidi che parzialmente ostruiscono sempre il mezzo poroso intorno alla base dei tubi. Questa ostruzione normalmente presente è chiamata skin factor (letteralmente “fattore pelle”). Assumendo una rimozione totale di tali solidi significa portare a zero o addirittura a valori negativi, il valore dello skin factor con un conseguente aumento del PI durante un evento Blowout paragonato a quello di normale produzione del pozzo. Al fine di stimare tale variazione è necessario attuare un approccio completamente conservativo, ovvero quello per il quale tutti i solidi intorno alla base del pozzo vengono completamente rimossi, in quanto non è possibile stabilire a priori l’entità dell’aumento del PI a causa delle incertezze associate a tale effetto.
Oltre a questo fenomeno l’evento Blowout può portare alla formazione di coni sotterranei di gas o acqua (si pensi ai normali coni di captazione che si formano durante un’ estrazione) che portano alla modificazione di parametri di produzione del pozzo quali il rapporto gas/liquidi (GOR) o il rapporto acqua/liquidi (WATER CUT).
Trasporto multifase nel pozzo
Il trasporto nel pozzo, sia che esso avvenga lungo le aste cave, l’annulus o il casing, deve tener conto delle caratteristiche multicomponente (miscela di gas a diverso peso molecolare) e multifase (gas, liquido e solido) del flusso. Si tratta di modellare il comportamento del flusso che risale verso la superficie ed un suo eventuale cambio di caratteristiche chimiche e fisiche durante il suo cammino.
Formazione del getto
Quando il flusso raggiunge la superficie del pozzo si forma a tutti gli effetti un getto che riversa i suoi componenti nell’ambiente circostante. Un modello di getto rappresenta il raccordo tra il comportamento del flusso nel sottosuolo e la dispersione vera e propria degli inquinanti. E’ da notare che per semplificare il problema il getto derivante da un evento di Blowout atmosferico viene considerato prettamente verticale. Questa semplificazione è in realtà abbastanza forzata; infatti le strutture accessorie del pozzo possono deviarne sensibilmente il cammino all’origine o lungo il suo sviluppo, dando luogo a getti il cui asse potrebbe non risultare perpendicolare al terreno. Discorso analogo può essere fatto se la sorgente, sia questa la bocca del pozzo od un eventuale foro nelle pipeline (tubazione) giace su un piano inclinato rispetto al suolo.
Nel momento in cui il flusso lascia il pozzo e si riversa interamente nell’atmosfera, cambiano le sue condizioni chimico fisiche: il getto, a causa della sua velocità, tende a trascinare aria al suo interno ed ad allargarsi mano a mano che sale in altezza. La portata di aria in ingresso nel getto (detta Entrainment) tende a cambiarne le caratteristiche iniziali: velocità, concentrazione dei componenti, temperatura.
Particolare attenzione va riposta nella definizione dell’altezza finale del getto, ovvero a quale distanza dalla sorgente il getto è da considerarsi esaurito.
Esistono due metodologie diverse che permettono la definizione di tale altezza.
Nel primo approccio si confronta la velocità del vento con la quella lungo l’asse del getto stesso (sempre rivolta verso l’alto): quando le due velocità raggiungono lo stesso valore, si assume che il getto sia esaurito. Questa metodologia presenta più di un problema pratico. Stabilire a priori la velocità del vento non è operazione facile: infatti sono richiesti dati meteorologici della zona molto precisi e dettagliati, quindi a tutti gli effetti tale approccio non può essere applicato in maniera predittiva qualora non si disponga dei suddetti dati.
Inoltre data la variabilità in intensità e direzione dei venti in una qualsiasi regione, la loro determinazione a priori, quando il modello viene applicato in maniera predittiva, è ricca di elementi ipotetici e non sperimentalmente provati.
Se a questo si aggiunge che a tutti gli effetti la componente della velocità del vento perpendicolare a quella della velocità assiale del getto tende a deviare l’asse del getto già per valori minori di quelli considerati, ne consegue una non facile e non accurata precisione della stima dell’altezza derivata da questo approccio
Il secondo approccio risulta essere, al contrario, di facile applicazione. Esso infatti stabilisce che il getto termina quando la sua velocità assiale è pari a 30 m/s. Questo valore, non solo ne permette un’applicazione generale e sempre valida a prescindere dalle condizioni atmosferiche al contorno, ma permette a tutti gli effetti di mantenere un valore sufficiente della velocità assiale tale da evitare che l’asse stesso del getto tenda a deviare in maniera troppo accentuata rispetto alla perpendicolare al terreno. Il valore di 30 m/s potrà poi essere utilizzato come condizione iniziale di velocità di input nel successivo modello di dispersione da applicare.
Al fine di caratterizzare il getto nella sua totalità occorre definirne la velocità e le concentrazioni dei componenti che lo costituiscono in modo tale da ottenere da questi informazioni accessorie necessarie per gli step successivi dell’analisi dell’evento incidentale.
Formazione di gocce
Il fluido che compone il getto, a seconda della composizione dello stesso in uscita dal pozzo, a contatto con l’aria atmosferica porta alla parziale atomizzazione della sua eventuale parte liquida con la conseguente formazione di gocce. Si ha quello che in termini tecnici viene definito uno spray. Anche il campo dello spray deve essere caratterizzato per quanto riguarda la velocità e la distribuzione spaziale della dimensione e densità delle gocce.
Dispersione delle gocce
Se le particelle liquide atomizzate risultano essere particolarmente piccole è ragionevole assumere che avranno un moto simile a quello del gas in cui sono disperse. In questo caso il modello di getto rappresenta, quindi, in prima approssimazione, la simulazione del comportamento delle gocce.
Per particelle più pesanti risulta invece ovvio applicare modelli balistici che tengono conto della forza di gravità agente sulle gocce ed eventuali effetti di inerzia che portano alla deviazione della loro traiettoria rispetto a quella del getto.
La grandezza delle gocce (stimabile per esempio attraverso la definizione di una distribuzione in frequenza dei diametri) influisce anche sul loro tempo di residenza in aria prima della loro deviazione dal flusso di gas e della ricaduta al suolo. Fenomeni quali l’evaporazione o la condensazione di alcuni componenti
nel getto devono essere presi in considerazione poiché la loro presenza può influenzare le condizioni iniziali del modello di dispersione.
Dispersione del gas
La dispersione del gas nell’atmosfera può essere calcolata risolvendo le equazioni di conservazione della massa, della quantità di moto, dell’energia e dei componenti presenti. La determinazione dei componenti risulta essere cruciale in quanto può determinare l’applicazione di modelli che tengono conto della gravità (in caso di gas ad alto peso molecolare); mano a mano che la nube di inquinanti si impoverisce dei più pesanti, sia la temperatura che la densità raggiungono valori simili a quelli dell’atmosfera circostante, ed il problema della dispersione può essere risolto applicando un modello tradizionale di dispersione gaussiano.
Blowout: le cause
La causa principale che dà il via al vero e proprio evento Blowout è rappresentata da quello che in termini tecnici è chiamato kick (letteralmente calcio). /2/
Il kick è definito come un flusso estraneo di gas all’interno del pozzo. Questo flusso anomalo può essere dovuto al fatto che lo scalpello, mentre penetra nel terreno, può incontrare sabbie (o comunque qualsiasi formazione geologica) permeabili ad un gas, con una pressione del reservoir maggiore di quella esercitata dal fluido di perforazione. E’ proprio la risultante della differenza tra le pressioni che causa l’apporto di questo flusso anomalo di gas all’interno del pozzo stesso. /3/
Nel momento stesso in cui si origina il kick è necessario interrompere immediatamente le operazioni di perforazione., poiché risulta fondamentale in attuare procedure di controllo del pozzo in modo tale da evitare la perdita di controllo del pozzo e la conseguente degenerazione in un evento Blowout completo.
La probabilità di accadimento del kick è maggiore durante la fasi di perforazione e di completamento del pozzo, poiché le analisi sismiche sulle quali si basa l’investigazione del sottosuolo finalizzata alla ricerca di giacimenti sotterranei può non essere sufficientemente accurata nel determinare zone con pressione di gas maggiori (sacche di gas).
Se il kick non viene estinto si ha la perdita di controllo del pozzo e il conseguente sviluppo di un Blowout completo. /4/
Tipologie di Blowout
Esistono tre diversi scenari di accadimento di un evento Blowout che si differenziano l’uno dall’altro per la collocazione geografica dei pozzi esplorativi.
I Blowout superficiali sono i più pericolosi in quanto il flusso di idrocarburi in uscita dal pozzo è direttamente scaricato in atmosfera e può potenzialmente causare rischi diretti al personale che lavora intorno all’istallazione, alle strutture che la compongono, all’ambiente e alla popolazione che vive nelle vicinanze.
I Blowout sotterranei sono definiti come un flusso incontrollato di fluido che nel sottosuolo passa da una struttura litologica ad un’altra. In questa tipologia la manifestazione dell’evento incidentale non risulta essere direttamente visibile, ma il pozzo subisce modificazioni cruciali alle sue caratteristiche di produttività. Il danno principale riguarda il possibile inquinamento, nonché un cedimento strutturale del sottosuolo che talvolta può formare veri e propri crateri in superficie.
Nei Blowout Sottomarini, invece, gli inquinanti sono direttamente riversati in mare con le immaginabili conseguenze per l’ambiente sottomarino. E’ da notare che se il flusso incontrollato raggiunge la piattaforma continentale a tutti gli effetti si ha un Blowout superficiale, molto rischioso poiché le vie di fuga per il personale risultano essere severamente limitate dalla conformazione dell’ambiente circostante.
Chiaramente la schematizzazione a blocchi presentata in precedenza non risulta applicabile ai Blowout sotterranei e a quelli sottomarini. Infatti in questo caso
non si può parlare di un vero e proprio sviluppo di un getto tradizionale nell’ambiente circostante. In questi casi sono però applicabili dei modelli di getto in cui questo è completamente frenato. Gli output di questo modello servono solo da raccordo fra quelle che sono le condizioni all’interno del pozzo e quelle che si trovano nell’ambiente in cui il flusso si riversa. Stesso discorso vale per l’analisi della dispersione degli inquinanti che deve variare opportunamente in relazione a dove effettivamente gli inquinanti si possono disperdere (sottosuolo o sott’acqua).
Per un’analisi dei Blowout sotterranei è ancora più importante avere un quadro geologico ed idrogeologico della zona del giacimento, non più focalizzato come strumento di ricerca di giacimenti, ma piuttosto alla caratterizzazione globale di un sito potenzialmente a rischio di inquinamento.
Scopo della Tesi
Nell’ambito del progetto Blowout /5/ la tesi prevede lo sviluppo di un modello semplificato di getto incombusto da inserire nell’APPROCCIO 2 (“Standard”).
Il modello permette la caratterizzazione del campo di velocità, di concentrazione e il calcolo dell’entrainment lungo l’asse del getto, nonché la determinazione dei profili di temperatura. Particolare attenzione viene riposta nelle caratteristiche iniziali della miscela di idrocarburi ed altre sostanze in uscita dalla bocca del pozzo (denominata sorgente) quali: composizione chimica –monocomponente o multicomponente-; caratteristiche fisiche – monofase o multifase-; dinamica del flusso –critico o subcritico. Le simulazioni effettuate permettono il calcolo dei ai profili radiali, ovvero, il calcolo della velocità e delle concentrazioni per la regione di spazio al di fuori dell’asse.
Il modello, sviluppato a partire dalle equazioni di getto circolare ideale, si basa su correzioni empiriche derivate dal confronto con simulazioni effettuate nell’ambito dell’APPROCCIO 1 (“Best Estimate”) effettuate con il software di fluidodinamica computazionale FLUENT /6/, denominati con la sigla CFD in seguito. La validazione stessa viene eseguita tramite il confronto diretto tra i risultati del modello semplificato sviluppato e i dati CFD.
Per ogni parametro, velocità, concentrazione ed entrainment, vengono forniti due approcci diversi.
Le simulazioni CFD i cui risultati sono stati utilizzati in questa tesi sono state effettuate da ENI Tecnologie. Tali simulazioni sono relative a 4 diversi scenari di Blowout, di seguito chiamati “Scenari di riferimento”.
La Fluidodinamica computazionale
La FLUIDODINAMICA COMPUTAZIONALE, detta anche CFD (Computational Fluid-Dynamics), si occupa dello studio di metodi, tecniche e algoritmi che consentono di simulare il comportamento dinamico dei fluidi in complessi problemi fisici. /6/
Il software commerciale FLUENT, /6/ nell’ambito dell’APPROCCIO 1, è stato utilizzato per caratterizzare getti incombusti in blowout realmente verificatisi o con condizioni iniziali che descrivono il comportamento del fluido durante la risalita lungo la tubatura e il suo successivo sbocco nell’ambiente circostante.
Tali simulazioni consistono nell’elaborazione numerica di sofisticati modelli matematici (in questo caso la soluzione delle equazioni di Navier-Stokes sulla conservazione della quantità di moto per fluidi sia comprimibili che incomprimibili) che descrivono l’evoluzione temporale del fluido attraverso i suoi parametri fluidodinamici fondamentali: velocità, pressione, temperatura, densità. I dati CFD, in pratica, sono in grado di fornire risposte coerenti con la realtà, in tempi e costi decisamente ridotti rispetto a quanto necessario per realizzare la sperimentazione fisica in laboratorio.
Data la natura dell’evento incidentale non esistono chiaramente dati reali, poiché risulta impensabile, durante il verificarsi di un evento Blowout, la raccolta diretta di dati in situ.
Gli scenari di riferimento
Gli scenari, per quanto pochi siano, descrivono alcune principali classi di diverse composizioni di getto, dal monocomponente monofase (Scenario 1) al multicomponente multifase (Scenario 4). Nella tabella seguente sono descritti i principali parametri utilizzati in questo progetto come dati di input per i diversi scenari presi in considerazione.
Scenario 1: monocomponente, monofase
Portata massica: 12,12 Kg/s
Pressione a monte scarico: 246,00 Pa (relativi) Velocità scarico: 148,00 m/s (media)
Temp. Scarico 364,00
Area scarico 0,126 m²
Fluido: CH4
Densità fluido (Throat) 0,536873 Kg/m³
Densità fluido (Atm) RoMedio 0,535572 Kg/m³
Throat momentum 1477,76 Kgm/s²
Scenario 2: multicomponente monofase
Portata massica: 15,18 Kg/s
Pressione a monte scarico: 126,00 Pa (relativi) Velocità scarico: 164,00 m/s (media)
Temp. Scarico 364,00
Area scarico 0,1256637 m²
Distanza da terra 1,50
Fluido: 75% CH4 25% N2
Densità fluido (Throat) 0,636783 Kg/m³
Densità fluido (Atm) RoMedio 0,635992 Kg/m³
Throat momentum 2152,23 Kgm/s²
Scenario 3: multicomponente monofase
Portata massica: 0,62 Kg/s
Pressione a monte scarico: 0,00 Pa (relativi) Velocità scarico: 85,00 m/s (media)
Temp. Scarico 353,00 K
Area scarico 0,0113703 m2
Distanza da terra 0 m
Fluido: 75% CH4 25% N2
Densità fluido (Throat) 0,655810 Kg/m3
Densità fluido (Atm) 0,655810 Kg/m3
Throat momentum 53,88 Kgm/s2
Scenario 4: multicomponente bifase
Portata massica: 15,18 Kg/s
Pressione a monte scarico: 126,00 Pa (relativi)
Velocità scarico: 164,00 m/s (media)
Temp. Scarico 364,00
Area scarico 0,126 m2
Distanza da terra 1,50
Fluido: 75% CH4
25%
N2
Densità gas (Throat) 0,636783 Kg/m3
Densità gas (Atm) 0,635992 Kg/m3
Throat momentum 2152,23 Kgm/s2
Liquido 164 m/s
Portata massica
liquido: 42 Kg/s
Densità liquido 960 Kg/m3
Per ognuno degli scenari di riferimento la CFD fornisce per il getto:
• Profili assiali di velocità di centerline
• Profili assiali di concentrazione di centerline del getto
• Profili radiali di velocità ad alcune altezze
• Profili radiali di concentrazione alle stesse altezze delle velocità radili
• Profilo assiale di Entrainment d’aria nel getto
Questi output sono stati utilizzati per lo sviluppo del modello semplificato.
Fluidi critici e subcritici
Le condizioni di temperatura, pressione, densità della miscela e frazione di vuoto (nel caso di getti multifase) portano alla determinazione di tipologie diverse di efflusso. /7/
Il gas in moto nella tubazione può subire trasformazioni termodinamiche di vario tipo (adiabatica, isoterma, ecc…). Nel caso di getto monofase gas la velocità massima raggiungibile corrisponde a condizioni di velocità del suono nella sezione di uscita. Tale velocità per trasformazioni adiabatiche è calcolabile applicando la formula (valida per un gas perfetto):
M
Us = γ RT ( 1
dove U velocità del suono e: s γ =
v pC
C ( 2
Nel caso multifase , miscela di gas e liquido comprimibile, la velocità massima raggiungibile è molto minore del valore relativo ad un gas ideale dato dall’equazione (1.
Definita la frazione d vuoto α come:
l g l g b
b b
u u x
x x
ρ α ρ
+ −
= 1
1
( 3
(dove x rappresenta il rapporto fra la portata massica di gas e la portata totale) b
La velocità massima raggiungibile, detta velocità critica, è stimabile dal seguente rapporto: /8/
= −
) 1 (
2 1
α α
ρ ρ
γ l
g
m b
C
C ( 4
Nel seguente grafico è riportata la variazione della velocità del suono di una miscela aria/acqua al variare della sua frazione di vuoto
α
.Figura 1: Dipendenza della velocità del suono in funzione di α
Nel caso in cui la velocità di uscita effettiva calcolata mediante i software fluidodinamici per quanto riguarda il trasporto multifase nel pozzo risulta essere maggiore del valore della velocità critica il flusso viene definito critico.
Se la velocità di uscita è minore allora si avrà un flusso subcritico.
Efflussi critici: la sorgente effettiva
Analisi fotografiche e computazionali mostrano che in caso di efflusso critico il getto, in prossimità della sorgente, presenta una zona di espansione del getto che non è descritta dalle normali equazioni dei getti ideali /9/. Si veda come esempio la figura seguente, che rappresenta una simulazione computazionale di un efflusso critico uscente da un’apertura circolare.
Figura 2: FLUENT, Simulazione efflusso critico
Nella maggior parte dei casi il getto che si sviluppa durante un Blowout viene emesso a partire da condizioni critiche, caratterizzate quindi da una vena contratta all’uscita nella quale il fluido raggiunge la velocità del suono. Tale sezione, detta Troath, è caratterizzata da un valore di pressione più elevato rispetto a quello esterno (nel nostro caso, la pressione atmosferica).
La presenza di questa sezione “pressurizzata” causa una forte espansione del gas a valle della Troath fino al raggiungimento della pressione atmosferica.
Nell’espansione si ha, come mostra la CFD (vedi figura 2), la tendenza da parte del fluido ad una forte accelerazione locale con associata una parziale dissipazione dell’energia di pressione disponibile nella Troath.
Dalle analisi dei dati CFD è ragionevole (e conservativo) assumere che l’espansione a valle della Troath sia un processo completamente dissipativi. In queste condizioni si può assumere che nella regione a pressione atmosferica alla sommità della zona di espansione (denominata A0) si abbia:
• Velocità uguale a quella della Troath (quindi quella del suono)
• Temperatura uguale a quella della Troath
• Trascinamento nullo (trascurabile) tra la Troath e la A 0
• Conservazione rispetto alla Troath di portata in massa ed impulso Tali ipotesi portano alla determinazione della seguente formula:
0
0ρ α
α
ρgS gATM
S A
A = ( 5
dove AS sezione della bocca del pozzo
ρgS densità della fase gas all’uscita dal pozzo
A0 sezione del getto alla sommità della zone di espansione ρgATM densità del gas a pressione atmosferica
α frazione di vuoto alla sorgente (vedi eq. 3) α0 frazione di vuoto con gas a pressione atmosferica
La formula per il calcolo dell’area della sorgente in caso di efflussi critici risulta quindi essere:
o gATM
gS
A
SA ρ α
α
= ρ
0 ( 6
In conclusione un getto da un flusso critico viene assimilato da un getto subcritico con l’area di sbocco pari alla A0.
Ciò consente di modellare il getto indipendentemente dal tipo di efflusso allo sbocco.
Lo scenario 4: il caso multifase
Dai dati di input utilizzati nelle simulazioni con FLUENT emerge che lo scenario 4 è l’unico caso di getto multicomponente –infatti la miscela è costituita dal 75% di CH4 e dal 25% di N2- e multifase, ovvero nel gas sono disperse particelle di liquido – con una sua portata e una sua densità.
Verosimilmente durante lo sviluppo del getto le particelle liquide assumono un comportamento diverso da quello del gas; esse ad una certa altezza tenderanno a ricadere verso il suolo a causa della forza di gravità che vi agisce sopra.
Il risultato di questo comportamento si ripercuote nella simulazione CFD del profilo di velocità assiale. Nel grafico successivo sono riportate le velocità di center line CFD per lo scenario 4.
Secenario 4 Center line U
-101030507090 110130 150170 190
0 50 100 150 200 250
z (m)
V (m/s)
Uv*
Grafico 1: Dati CFD, Scenario 4, profilo di velocità assiale
Dal grafico si nota che circa a 100 m di altezza la velocità assiale assume un valore negativo. Questo è spiegabile con il fatto che il profilo sopra rappresentato in realtà descrive quella che è una velocità media fra quella del getto (rivolta verso l’alto) e quella delle particelle liquide (rivolta in senso opposto).
Questa particolarità si nota anche dal grafico dell’entrainment (portata di aria trascinata all’interno del getto).
Scenario 4 Entrainment
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0 20 40 60 80 100
z (m)
E (Kg/s)
Entr* (CFD)
Grafico 2: Dati CFD, Scenario 4, portata cumulativa di entrainment
FLUENT infatti stima l’entrainment a partire dai profili di velocità assiale. Se pur coerente, questa simulazione non ha alcun significato fisico reale: infatti, analizzando i risultati, si arriva al paradosso che il getto a partire da una certa altezza tende a rilasciare aria nell’ambiente circostante con un conseguente aumento della concentrazione di idrocarburi (inteso come miscela uscente dal pozzo).
Il comportamento di un getto multifase deve essere quindi focalizzato anche alla determinazione della traiettoria delle gocce di liquido presenti. Purtroppo, questo risulta essere l’unico scenario multifase posseduto nel momento dello sviluppo del modello. Da uno scenario solo risulta impossibile ottenere informazioni generali e universalmente applicabili per lo sviluppo del modello di getto. Tutte le correlazioni descritte in seguito utilizzate per lo sviluppo del modello semplificato verranno quindi limitate ai casi di getti monofase gas.
Verranno altresì proposti confronti fra i risultati ottenuti con le equazioni del modello applicate a questo scenario e i relativi valori CFD, in modo da permettere sviluppi futuri nella trattazione di getti multifase nel momento di
una maggiore disponibilità di simulazioni. I confronti proposti risultano invece coerenti per la zona in cui le velocità hanno valori positivi e l’entrainment è crescente.
