Slugging involves pressure and flowrate fluctuations and poses a major threat to optimising oil production from deepwater reserves. Typical production loss could be as high as 50%, affecting the ability to meet growing energy demand. This work is based on numerical simulation using OLGA (OiL and GAs) a one- dimensional and two-fluid equations based commercial tool for the simulation and analysis of a typical field case study in West Africa. Numerical model was adopted for the field case. Based on the field report, Flow Loop X1 consisted of well X1 and well X2, (where X1 is the well at the inlet and X2 is the well connected from the manifold (MF)). Slugging was experienced at Flow Loop X1 at 3000 BoPD; 4MMScf/D and 3%W/C. This study investigated the conditions causing the slugging and the liquid and gas phase behaviour at the period slugging occurred. The simulation work involved modelling the boundary conditions (heat transfer, ambient temperature, mass flowrate e.t.c). Also critical was the modelling of the piping diameter, pipe length, wall thickness and wall type material to reflect the field geometry. Work on flow regime transition chart showed that slugging became more significant from 30% water-cut, especially at the riser base for a downward inclined flow on the pipeline- riser system. Studies on diameter effect showed that increasing diameter from 8” – 32” gave rise to a drop in Usg (superficial velocity gas) and possible accumulation of liquids on the riser- base position and hence a tendency for slugging formation. Depth effect study showed that increasing depth gave rise to increasing pressure fluctuation, especially at the riser- base. Studies on the Self-Lift slug mitigation approach showed that reducing the internal diameter of the Self-lift by-pass pipe was effective in mitigating slug flow. S3 (Slug suppression system) was also investigated for deepwater scenario, with the results indicating a production benefit of 12.5%. In summary, the work done identified water-cut region where pipeline-riser systems become more susceptible to slugging. Also, two key up-coming slug mitigation strategies were studied and their performance evaluated in-view of production enhancement.

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Apresenta-se um modelo matemático que avalia numericamente a estabilidade do estado estacionário para escoamentos água-ar em sistemas pipeline-riser de geometria variável. Uma análise a partir da teoria de estabilidade linear é aplicada a um modelo matemático adequado ao escoamento água-ar no sistema pipeline-riser. O modelo considera equações de continuidade para a fase líquida e para a fase gasosa, admite-se escoamento unidimensional e em condição isotérmica. O líquido é considerado incompressível enquanto que a fase gasosa é considerada um gás ideal. Admite-se uma equação de momento simplificada para mistura onde despreza-se a inércia (NPW - Modelo No Pressure Wave) e o padrão de escoamento local é definido com base nas condições do escoamento e na inclinação local. Assim, a intermitência severa é controlada principalmente pela gravidade no riser e pela compressibilidade do gás no pipeline. Tanto a correlação de fluxo de deriva quanto o cálculo da queda de pressão por atrito, adotados como lei de fechamento do modelo, são determinados em função do padrão de escoamento. Injeção de gás e válvula de choke são consideradas, respectivamente, na base e no topo do riser. O modelo é aplicado à sistemas pipeline-riser com escoamento água-ar citados na literatura. Os resultados da análise de estabilidade linear numérica são comparados aos resultados experimentais e numéricos apresentando uma excelente concordância. / A mathematical model that numerically evaluates the stability of the stationary state for hilly terrain air-water flows systems is presented. Numerical linear stability analysis is performed to a suitable mathematical model for the two-phase flows in a pipeline-riser system. The mathematical model considers the continuity equations for the liquid and gas phases, one-dimensional flow and isothermal conditions. The liquid is assumed incompressible while the gas phase is considered as an ideal gas. A simplified momentum equation for the mixture, neglecting inertia (NPW - No pressure wave model) is considered and the local flow pattern is defined based on the flow conditions and the local inclination. In this way, severe slugging is controlled mainly by gravity in the riser and compressibility in the pipeline. The void fraction and friction pressure drop, utilized as closure laws, are determined based on the local flow pattern. Gas injection at the bottom of the riser and a choke valve at the top are considered. The model is applied to air-water pipeline-riser systems reported in the literature. Numerical linear stability analysis results are compared with experimental and numerical results reported in the literature with excellent agreement.

Esta dissertação estuda o controle multivariável de uma plataforma \"offshore\" típica. Com esse propósito, um modelo dinâmico rigoroso do processo não-linear foi desenvolvido e usado para representar o processo real nas simulações das estratégias de controle propostas. Baseado no modelo rigoroso e usando métodos de identificação, foram desenvolvidos modelos lineares aproximados para representar o processo no controlador preditivo (MPC). O sistema de controle foi projetado visando manter as variáveis controladas em valores adequados e reduzir o efeito de golfadas severas nos equipamentos à jusante da plataforma. Foram testados dois controladores preditivos: o MPC convencional que opera com \"setpoints\" fixos para as variáveis controladas e o controlador preditivo que opera com zonas para as variáveis controladas. Os resultados da simulação mostram que o controlador preditivo com controle por zonas é capaz de ter uma performance bem melhor que o controlador preditivo convencional, com uma significativa redução na amplitude das oscilações causadas pelas golfadas na vazão de petróleo na saída da plataforma. / This dissertation studies the multivariable control of a typical offshore platform. For this purpose, a rigorous nonlinear dynamic model of the process system is developed and used to represent the true process in the simulation of the proposed control strategies. Based on this rigorous model, approximate linear models are obtained through identification methods in order to represent the platform process in the Model Predictive Control (MPC). The control system was designed aimed at keeping all the controlled variables at adequate values and to reduce the effect of severe riser slugging on the downstream systems. Two model predictive controllers are tested: the conventional MPC with fixed set-points to the controlled outputs and the MPC with zone control of the outputs. The simulation results show that the controller based on the output zone control has a better performance than the conventional MPC with a significant reduction on the amplitude of the oscillation of oil flow at the outlet of the platform process.

Apresenta-se um modelo matemático que avalia numericamente a estabilidade do estado estacionário para escoamentos água-ar em sistemas pipeline-riser de geometria variável. Uma análise a partir da teoria de estabilidade linear é aplicada a um modelo matemático adequado ao escoamento água-ar no sistema pipeline-riser. O modelo considera equações de continuidade para a fase líquida e para a fase gasosa, admite-se escoamento unidimensional e em condição isotérmica. O líquido é considerado incompressível enquanto que a fase gasosa é considerada um gás ideal. Admite-se uma equação de momento simplificada para mistura onde despreza-se a inércia (NPW - Modelo No Pressure Wave) e o padrão de escoamento local é definido com base nas condições do escoamento e na inclinação local. Assim, a intermitência severa é controlada principalmente pela gravidade no riser e pela compressibilidade do gás no pipeline. Tanto a correlação de fluxo de deriva quanto o cálculo da queda de pressão por atrito, adotados como lei de fechamento do modelo, são determinados em função do padrão de escoamento. Injeção de gás e válvula de choke são consideradas, respectivamente, na base e no topo do riser. O modelo é aplicado à sistemas pipeline-riser com escoamento água-ar citados na literatura. Os resultados da análise de estabilidade linear numérica são comparados aos resultados experimentais e numéricos apresentando uma excelente concordância. / A mathematical model that numerically evaluates the stability of the stationary state for hilly terrain air-water flows systems is presented. Numerical linear stability analysis is performed to a suitable mathematical model for the two-phase flows in a pipeline-riser system. The mathematical model considers the continuity equations for the liquid and gas phases, one-dimensional flow and isothermal conditions. The liquid is assumed incompressible while the gas phase is considered as an ideal gas. A simplified momentum equation for the mixture, neglecting inertia (NPW - No pressure wave model) is considered and the local flow pattern is defined based on the flow conditions and the local inclination. In this way, severe slugging is controlled mainly by gravity in the riser and compressibility in the pipeline. The void fraction and friction pressure drop, utilized as closure laws, are determined based on the local flow pattern. Gas injection at the bottom of the riser and a choke valve at the top are considered. The model is applied to air-water pipeline-riser systems reported in the literature. Numerical linear stability analysis results are compared with experimental and numerical results reported in the literature with excellent agreement.

Esta dissertação estuda o controle multivariável de uma plataforma \"offshore\" típica. Com esse propósito, um modelo dinâmico rigoroso do processo não-linear foi desenvolvido e usado para representar o processo real nas simulações das estratégias de controle propostas. Baseado no modelo rigoroso e usando métodos de identificação, foram desenvolvidos modelos lineares aproximados para representar o processo no controlador preditivo (MPC). O sistema de controle foi projetado visando manter as variáveis controladas em valores adequados e reduzir o efeito de golfadas severas nos equipamentos à jusante da plataforma. Foram testados dois controladores preditivos: o MPC convencional que opera com \"setpoints\" fixos para as variáveis controladas e o controlador preditivo que opera com zonas para as variáveis controladas. Os resultados da simulação mostram que o controlador preditivo com controle por zonas é capaz de ter uma performance bem melhor que o controlador preditivo convencional, com uma significativa redução na amplitude das oscilações causadas pelas golfadas na vazão de petróleo na saída da plataforma. / This dissertation studies the multivariable control of a typical offshore platform. For this purpose, a rigorous nonlinear dynamic model of the process system is developed and used to represent the true process in the simulation of the proposed control strategies. Based on this rigorous model, approximate linear models are obtained through identification methods in order to represent the platform process in the Model Predictive Control (MPC). The control system was designed aimed at keeping all the controlled variables at adequate values and to reduce the effect of severe riser slugging on the downstream systems. Two model predictive controllers are tested: the conventional MPC with fixed set-points to the controlled outputs and the MPC with zone control of the outputs. The simulation results show that the controller based on the output zone control has a better performance than the conventional MPC with a significant reduction on the amplitude of the oscillation of oil flow at the outlet of the platform process.

O trabalho tem como objetivo realizar um estudo experimental na bancada do Laboratório Multipropósito de Escoamento Multifásico com o intuito de estudar o fenômeno de intermitência severa em um sistema pipeline-riser com os fluidos água e ar. A intermitência severa pode ocorrer em sistemas pipeline-riser onde o pipeline é descendente seguido de um riser vertical, além de ser necessário a presença de baixas vazões de fluidos. Esse fenômeno é caracterizado por ser cíclico em que há acúmulo de líquido na base do riser e por acabar causando perdas na produção de petróleo e gás devido a grandes flutuações de pressão e vazão que podem durar horas a depender do comprimento do sistema. Os picos de pressão e vazão também podem causar o desligamento do sistema de separação na plataforma. O estudo se dividiu em várias etapas onde inicialmente foram definidos os procedimentos experimentais a serem utilizados. A calibração de placas de orifício foi necessária para o controle de vazão mássica de gás. Os resultados experimentais foram divididos em casos estáveis e instáveis onde a instabilidade é caracterizada pela presença de ciclos de pressão que podem ser observados em históricos de pressão na base do riser. Mapas de estabilidade foram criados e a região instável obtida experimentalmente foi comparada com a curva de estabilidade obtida pelo uso da teoria de estabilidade linear. Os históricos de pressão na base do riser para os casos instáveis obtidos foram comparados com dois modelos numéricos. A variação da pressão no separador foi usada para verificar a mitigação da intermitência severa e/ou da condição instável obtida no sistema para alguns casos instáveis. / The objective of this work is to do an experimental study of the severe slugging phenomenon in the pipeline-riser system of the Multipurpose Multiphase Flow Laboratory by using the fluids air and water. Severe slugging may occur for low flow rates in pipeline-riser systems where a downward pipeline is followed by a vertical riser. In this phenomenon there is liquid accumulation at the bottom of the riser resulting in production losses due to the great fluctuations of pressure and flow rate during its cycles which may last for hours depending on the length of the system. The high pressure values can also cause shutdown of the platform separation system. The first stage of this study was to define the experimental procedure to be adopted. It was necessary to perform a calibration of the orifice plates in order to have a precise control of the gas mass flow rate. The experimental results were divided in stable and unstable cases. The instability is defined by the presence of pressure oscillations at the bottom of the riser. Stability maps were created to compare the stabiliy curve obtained by the stability linear theory with the experimental results. The experimental pressure oscillations were compared with two numerical models. The pressure variation at the separator was studied to verify the mitigation effects during unstable and/or severe slugging conditions.

Um modelo matemático e simulações numéricas são apresentados para investigação da dinâmica do escoamento de gás, óleo e água em sistemas pipeline-riser. O pipeline é modelado como um sistema de parâmetros concentrados e considera dois estados comutáveis: um em que o gás é capaz de penetrar no riser e outro no qual há uma frente de acúmulo de líquido, prevenindo a penetração do gás. O modelo do riser considera um sistema de parâmetros distribuídos, no qual nós móveis são usados para avaliar as condições locais ao longo do subsistema. Efeitos de transferência de massa são modelados utilizando a aproximação de black-oil. O modelo prediz a localização da frente de acúmulo de líquido no pipeline e do nível de líquido no riser, de maneira que é possível determinar qual tipo de intermitência severa ocorre no sistema. O método das características é usado para simplificar a diferenciação no sistema de equações mistas hiperbólicas-parabólicas resultante. As equações são discretizadas e integradas usando um método implícito com um esquema preditor-corretor para o tratamento das não-linearidades. Simulações correspondentes às condições de intermitência severa são apresentadas e comparadas aos resultados obtidos com o código computacional OLGA, resultando em uma boa concordância. Apresenta-se uma descrição dos tipos de intermitência severa para o escoamento trifásico de gás, óleo e água em um sistema pipeline-riser com efeitos de transferência de massa, assim como um estudo da influência de parâmetros geométricos e de caracterização dos fluidos sobre os mapas de estabilidade. / A mathematical model and numerical simulations are presented to investigate the dynamics of gas, oil and water flow in a pipeline-riser system. The pipeline is modeled as a lumped parameter system and considers two switchable states: one in which the gas is able to penetrate into the riser and another in which there is a liquid accumulation front, preventing the gas from penetrating the riser. The riser model considers a distributed parameter system, in which movable nodes are used to evaluate local conditions along the subsystem. Mass transfer effects are modeled by using a black oil approximation. The model predicts the location of the liquid accumulation front in the pipeline and the liquid level in the riser, so it is possible to determine which type of severe slugging occurs in the system. The method of characteristics is used to simplify the differentiation of the resulting mixed hyperbolic-parabolic system of equations. The equations are discretized and integrated using an implicit method with a predictor-corrector scheme for the treatment of the nonlinearities. Simulations corresponding to severe slugging conditions are presented and compared to results obtained with OLGA computer code, showing a very good agreement. A description of the types of severe slugging for the three-phase flow of gas, oil and water in a pipeline-riser system with mass transfer effects is presented, as well as a study of the influence of geometric and fluid characterization parameters on the stability maps.

Atualmente, há inúmeras instalações offshore operando em regimes instáveis de escoamento. Tal regime é resultado de diâmetros superdimensionados das linhas de produção ou baixa vazão dos poços. Deve-se notar que, muitas vezes, o regime intermitente se instala no final da vida produtiva dos poços, devido ao declínio natural dos reservatórios, o que causa uma redução da produção do campo de petróleo. Tal instabilidade traz dificuldades na produção offshore, pois pode causar danos nos equipamentos da plataforma ou perdas de produção. Neste âmbito, é necessário estudar meios de atenuar ou suprimir este tipo de regime de escoamento. O objetivo deste trabalho é desenvolver métodos de forma a garantir a estabilidade do sistema através da modulação adequada da válvula choke, reduzindo ou mesmo eliminando o comportamento oscilatório da produção, mantendo a válvula choke na maior abertura possível, trazendo desta forma, ganhos econômicos através do aumento da produtividade do poço. Para a análise do sistema, utilizou-se um modelo dinâmico simplificado encontrado na literatura. Este modelo foi escolhido por reproduzir adequadamente o escoamento em golfadas severas, causado pela presença de trecho horizontal descendente na linha de produção. O sistema foi também modelado no OLGA®, sendo este, um software comercial com uso bastante disseminado na indústria de petróleo e com grande aplicação em simulações que exigem uma análise do comportamento transiente do problema. A avaliação da eficácia dos métodos de supressão das golfadas foi realizada através de duas abordagens distintas. Inicialmente, utilizou-se um controlador PI adaptativo com capacidade de operação em diferentes regiões de aberturas da válvula choke. Por fim, utilizou-se um Regulador Linear Quadrático associado a um observador de estados com filtro de Kalman Unscented com o objetivo de verificar como o sistema se comportaria em caso de necessidade de um observador para compensar uma possível falha do sensor submarino de pressão. Em ambos os casos, notou-se redução nas oscilações devido a golfadas do poço. As soluções foram implementadas através da integração entre o modelo do OLGA® e os algoritmos desenvolvidos no MATLAB utilizando servidor OPC. / Nowadays, there are numerous offshore installations operating in unstable flow regimes. Such unstable flow is the result of oversized diameters of production lines or low flow wells. It should be noticed that often the intermittent system occurs at the end of the productive life of wells due to the natural decline of the reservoir, which causes a reduction in oil field production. Such instability brings difficulties in offshore production, it can cause damage to the platform equipment or production losses. In this context, it is necessary to consider means to reduce or remove this type of flow regime. The objective of this work is to develop methods to ensure system stability by adequate modulation of choke valve, reducing or even eliminating the oscillatory behavior of the production, with the biggest choke valve opening possible, bringing economic gains by increasing well production The system analysis was carried out using a simplified dynamic model found in literature. This model was chosen by appropriately reproduction of severe slug flow, caused by the presence of downward horizontal section in the production line. The problem was also modeled on OLGA®, which is a commercial software with widespread use in the oil industry and large application in simulations that require a transient behavior analysis. The evaluation of the slugs suppression methods was carried out through two different approaches. First, an adaptive PI controller with capability to operate in different regions of choke valve openings was used. Finally, a Quadratic Linear Regulator associated to an Unscented Kalman Filter was used to verify how the system would behave in the event of a possible failure of subsea pressure sensor. In both cases, there was a reduction in oscillations due to slugs. The solutions were implemented through communication between the OLGA® model and the control algorithms developed in MATLAB using OPC server.

Increasing worldwide demand for petroleum motivates greater efficiency, safety, and environmental responsibility in upstream oil and gas processes. The objective of this research is to improve these areas with advanced control methods. This work develops the integration of optimal control methods including model predictive control, moving horizon estimation, high fidelity simulators, and switched control techniques applied to subsea riser slugging and managed pressure drilling. A subsea riser slugging model predictive controller eliminates persistent offset and decreases settling time by 5% compared to a traditional PID controller. A sensitivity analysis shows the effect of riser base pressure sensor location on controller response. A review of current crude oil pipeline wax deposition prevention, monitoring, and remediation techniques is given. Also, industrially relevant control model parameter estimation techniques are reviewed and heuristics are developed for gain and time constant estimates for single input/single output systems. The analysis indicates that overestimated controller gain and underestimated controller time constant leads to better controller performance under model parameter uncertainty. An online method for giving statistical significance to control model parameter estimates is presented. Additionally, basic and advanced switched model predictive control schemes are presented. Both algorithms use control models of varying fidelity: a high fidelity process model, a reduced order nonlinear model, and a linear empirical model. The basic switched structure introduces a method for bumpless switching between control models in a predetermined switching order. The advanced switched controller builds on the basic controller; however, instead of a predetermined switching sequence, the advanced algorithm uses the linear empirical controller when possible. When controller performance becomes unacceptable, the algorithm implements the low order model to control the process while the high fidelity model generates simulated data which is used to estimate the empirical model parameters. Once this online model identification process is complete, the controller reinstates the empirical model to control the process. This control framework allows the more accurate, yet computationally expensive, predictive capabilities of the high fidelity simulator to be incorporated into the locally accurate linear empirical model while still maintaining convergence guarantees.