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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
N° d'ordre : 2463 THÈSE présentée au LABORATOIRE DE GÉNIE CHIMIQUE DE TOULOUSE en vue de l'obtention du titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École doctorale : Transfert, Dynamique des fluides, Énergétique et Procédés Spécialité : Génie des Procédés et de l'Environnement par Christophe CONAN Ingénieur ENSICA Sujet de la thèse : ÉTUDE EXPÉRIMENTALE ET MODÉLISATION DES ÉCOULEMENTS LIQUIDE-LIQUIDE EN CONDUITE HORIZONTALE Soutenue le 23 mars 2007 devant le jury composé de : MM. René V.A. OLIEMANS Rapporteur Jean Pierre HULIN Rapporteur Mmes Elisabeth GUAZZELLI Examinateur Catherine COLIN Président Sandrine DECARRE Examinateur MM. Olivier MASBERNAT Directeur de thèse Alain LINÉ Directeur de thèse

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  • thèse expérimentale

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  • directeur de la thèse

  • lieu sans la participation active de l'équipe technique du laboratoire


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Publié le 01 mars 2007
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Langue Français
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N° d’ordre : 2463


THÈSE


présentée au
LABORATOIRE DE GÉNIE CHIMIQUE DE TOULOUSE
en vue de l’obtention du titre de
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
École doctorale : Transfert, Dynamique des fluides, Énergétique et Procédés
Spécialité : Génie des Procédés et de l’Environnement
par






Christophe CONAN
Ingénieur ENSICA





Sujet de la thèse :

ÉTUDE EXPÉRIMENTALE ET MODÉLISATION
DES ÉCOULEMENTS LIQUIDE-LIQUIDE
EN CONDUITE HORIZONTALE



Soutenue le 23 mars 2007 devant le jury composé de :
MM. René V.A. OLIEMANS Rapporteur
Jean Pierre HULIN Rapporteur
Mmes Elisabeth GUAZZELLI Examinateur
Catherine COLIN Président
Sandrine DECARRE Examinateur
MM. Olivier MASBERNAT Directeur de thèse
Alain LINÉ e thèse
Remerciements


Je vais tenter, comme le veut la tradition, de satisfaire au difficile exercice des remerciements, peut-
être la tâche la plus ardue de ces années de thèse. Non pas qu’exprimer ma gratitude soit contre ma
nature, la difficulté tient plutôt dans le fait de n’oublier personne. C’est pourquoi je remercie par
avance ceux dont le nom n’apparaît pas dans cette page et qui m’ont aidé d’une manière ou d’une
autre. Ils se reconnaitront.

Mon travail de thèse s’est déroulé dans le cadre de l’Ecole doctorale TYFEP, au sein du Laboratoire
de Génie Chimique de Toulouse. Je remercie son directeur, Monsieur Joël Bertrand, de m’y avoir
accueilli.

Mes remerciements vont aussi à Sandrine Decarre, ma responsable IFP, pour la confiance qu’elle
m’a accordé.

Je tiens à remercier très chaleureusement mon directeur de thèse Olivier Masbernat qui m’a fait
partager son expérience et qui a su me laisser la liberté nécessaire à l'accomplissement de mes
travaux, tout en y gardant un œil critique et avisé. Nos interminables discussions parfois
contradictions ou confrontations ont sûrement été la clé de la réussite de cette thèse. Les Barbecues et
les bières ingurgitées après de longues journées de manips ont fait, qu’au-delà d’un directeur de
thèse, il est devenu un ami.
Je remercie également Alain Liné qui a co-encadré ce travail. S’il est beaucoup de personnes que l'on
qualifie à tort de sage ou de savant, ce n'est pas le cas d’Alain. Il sait, invente, transmet; il écoute,
comprend, tempère. Il a toujours montré de l'intérêt pour mes travaux et répondu à mes sollicitations
lorsque le besoin s'en faisait sentir.
J'espère que cette thèse sera un remerciement suffisant au soutien et à la confiance sans cesse
renouvelée dont ils ont tous les deux fait preuve à mon égard. Je les remercie particulièrement tous les
deux d'avoir fait de moi leur Padawan et leur souhaite une bonne continuation ainsi qu’à leur famille
respective.

Merci à tous les membres du jury pour leur collaboration durant l’examen de ce travail et pour leur
participation à ma soutenance. Je remercie particulièrement Messieurs René Oliemans et Jean Pierre
Hulin, d’avoir accepté de rapporter ce travail de thèse et de leur lecture attentive. J’éprouve un
profond respect pour leurs travaux et leur parcours et suis fier d’avoir pu partager avec eux mon
travail.
Merci à Madame Elisabeth Guazzelli pour l’intérêt qu’elle à bien voulu porter à ce travail et bien sûr
à Madame Catherine Colin pour m’avoir fait l’honneur de présider ce jury.

Cette thèse expérimentale n’aurait pas eu lieu sans la participation active de l’équipe technique du
laboratoire. Je tiens donc à remercier Lachen Farhi, Jacques Labadie et Alain Muller pour leur
disponibilité et leur aide précieuse.

Merci à Emmanuel Cid et à Sébastien Cazin pour leurs conseils et leur aide dans la prise en main de
la chaine PIV.

Je remercie les membres (passés et présents) du laboratoire et particulièrement les locataires du
bureau dans lequel j’ai passé trois de mes meilleures années : Sébastien, Shila, Sophie, Mallorie,
Nelson, Romain, Flavie, Ricardo, Amélie, Nicolas, Soualo, Alicia, Micheline, Alice et tous les autres.
Merci à tous de votre sympathie.
Merci aussi à Eric Climent, Pascal Guiraud ainsi qu’Olivier Simonin pour les discussions que l’on a
pu avoir ensemble et à Dany et Claudine pour leur gentillesse et leur disponibilité.
Je désire aussi passer une dédicace spéciale à mes amis toulousains que je quitte avec regret. Je
reviendrai vous plumer au poker aussi souvent que possible !!

Finalement j’adresse un grand merci à mes parents qui ont toujours été présents lorsque j’en ai eu
besoin et à Luli, la princesse que j’ai eu le bonheur de rencontrer au cours de cette thèse. Luli je te
remercie pour ton aide, ta patience et ton amour. Liste des symboles

Lettres latines

2A section débitante totale m
2A section débitante de la phase k m k
2A Section d’un tube capillaire mcap
C coefficient de traînée - D
D diamètre de la conduite =2Rm
d diamètre moyen des gouttes m
diamètre interne des tubes capillaires dinj
D diamètre hydraulique de la phase k hk
d diamètre maximum stable des gouttesmax
f facteur de friction -
2 2g accélération de la pesanteur m/s
I intensité turbulente - t
2 2k énergie cinétique turbulente /s
l échelle de Kolmogorov m k
P pression statique Pa
P périmètre interfacial m I
périmètre mouillé par la phase k P m k
2 3P production turbulente m/sr
3Q débit de la phase k /s k
3Q débit total /s t
R fonction d’autocorrélations de la fonction f - f
St nombre de Stokes
t temps de relaxation d’une goutte S d
t temps caractéristique de la turbulence s t
U vitesse débitante de la phase k m/s k
U vitesse de mélange m/s m
vitesse superficielle de la phase k Usk
vitesse de glissement à la paroi m/s UΣv vitesse fluctuante m/s
V vitesse locale moyenne m/s
v* vitesse de frottement pariétale m/s
v vitesse dans un tube capillaire cap

Lettres grecques

macro échelle de Taylor m Λ
angle au centre rad Ω
taux de présence de la phase k - αk
distance à la paroi δ
2 3dissipation turbulente ε m /s
ε rapport des surfaces mouillées =Ak/A k
-1&γ taux de cisaillement s
rapport des viscosités (Chap. I) =μ /μd c
κ -
constante de Kolmogorov =0.41
micro échelle de Taylor m λ
viscosité dynamique de la phase k kg/m/s μk
3masse volumique de la phase k kg/mρk
tension interfaciale Pa.m σ
contrainte de cisaillement Pa τ
contrainte seuil Pa τ0
contrainte de cisaillement interfaciale- τI
contrainte pariétale τp
contrainte pariétale de la phase k Pa τk
épaisseur de lubrification
m δ
distance à la paroi (chap.II)

Nombres adimensionnels

Ca nombre capillaire & - μ γdc=
2σ2Fr nombre de Froude - c ρ Uc m=
ΔρgD
nombre de Reynolds - Re ρUD
=
μ
2We nombre de Weber - c Dρ Uc m=
σ
rapport des débits relatif à la phase k =Q /Q - φ k tk
St nombre de Stokes =t t - d/ t
2Eö nombre d’Eötvös basé sur le diamètre de la D ΔρgD
=
4σconduite

Indices

c phase continue
d phase dispersée
w phase aqueuse
o phase organique


Sommaire
SOMMAIRE


Introduction génrale 1

I. État de l’art 9
I.1 Définitions des différents régimes d’écoulement 11
I.2 Carte des régimes d’écoulement 13
I.2a Ecoulemnts ratifés 17
I.2.b Ecoulements dispersés-stratifiés 20
I.2.c Ecoulements pleinement dispersés 21
Bilan 23
I.3 Description et modélisation de l’hydrodynamique des écoulements dispersés 24
I.3.a Viscosité d’une suspension en écoulement 25
I.3.b Perte de charge dans les écoulements horizontaux pleinement dispersés 34
I.4 Modélisation et hydrodynamique des écoulements stratifiés à phases séparées 39
I.4.a Modèle 1D à deux fluides 39
I.4.b Les contraintes de frottemnt pariétl 40
I.4.c Les contraintes de frotteet interfacial 1
I.4.d Confrontation du modèle à deux fluides aux expériences 44
I.5 Quelques résultats concernant les écoulements dispersés-stratifiés 47
Bilan et objectifs de l’étude 49













II. Dispositif expérimental et techniques de mesures 55
II.1 Dispositif expérimental 57
II.1.a La boucle liquide-liquide
II.1.b Le système des phases 61
II.1.c Le dispositif de mesure de perte de charge 62
II.2 Techniques de mesures 65
II.2.a Choix techniques liés à l’acquisition des images 65
II.2.b Profils de concentration 71
II.2.c Calcul du champ de vitesse instantanée 72
II.3 Qualification du dispositif expérimental et validation des mesures PIV 77
II.3.a Injection de la phase dispersée dans la conduite 77
II.3.b Validation des mesures PIV en écoulement monophasique 79
Conclusions 87


III. Caractérisation des écoulements 93
III.1 Description générale des 94
III.1.a Cartes des régimes d’écoulement
III.1.b Structure 3D de l’écoulement 96
III.1.c Coupes verticales de l’écoulement : structure 2D et profils de concentration 98
III.2 Etude de la perte de charge 117
III.2.a Evolution du gradient de pression en fonction de Um et φ 117 o
III.2.b Viscosité effective de mélange 124
III.2.c Paramètres de Lockhart et Martinelli 127
Conclusions 135






Sommaire



IV. Profils hydrodynamiques des écoulements 141
IV.1 Etude du champ moyen 143
IV.1.a Profils verticaux de vitesse longitudinale 143
IV.1.b Profils verticaux de la vitesse verticale 152
IV.1.c Profils de vitesse dans le plan horizontal 160
IV.2 Etude du champ fluctuant 167
IV.2.a Profils des corrélations croisées 167
IV.2.b de vitesse rms 176
Conclusions 185

V. Analyse et modélisation dans la couche L1 189
“Experimental study of local hydrodynamics in a dispersed-stratified liquid-liquid pipe flow”
191

VI Analyse de la couche dispersée L2 227
VI.1 Etude locale de la zone dispersée dense 229
VI.1.a Profils horizontaux de vitesse longitudinale 229
VI.1.b Profils verticaux de vitesse longitudinale 234
VI.1.c Visualisation du comportement à seuil 238
VI.2 Bilan global dans la couche dense 241
VI.2.a Contrainte pariétale moyenne
VI.2.b Lubrification de la couche dense 244
Conclusions 247

Conclusion génrale 249
Références bibliographiques
Introduction générale
INTRODUCTION GENERALE
1. Avant Propos
Plusieurs facteurs sont avancés pour expliquer la flambée des cours du pétrole observée
depuis 2004 : la forte demande mondiale émanant notamment de la Chine, désormais second
importateur derrière les Etats-Unis ; les tensions géopolitiques (Venezuela, Nigeria, la situation
au Moyen-Orient, l’affaire Ioukos en Russie, la faiblesse des stocks pétroliers, l’insuffisance des
investissements dans les capacités de raffinage aux Etats-Unis…), puis, à plus court terme, la
vague de froid en Europe et aux Etats-Unis, début 2005, qui aurait poussé à des achats massifs
de nature spéculative. Pour faire face aux défis posés par une consommation importante
d’énergie et qui augmente durablement dans un contexte de raréfaction des énergies fossiles,
l’industrie pétrolière doit faire un effort important dans le domaine de l’innovation et de la
recherche.
C’est la problématique liée au transport polyphasique dans les conduites de production et
les puits d’extraction pétroliers qui a défini le contexte des recherches présentées dans ce
rapport. Ces recherches ont été menées en partenariat entre l’IFP, le Laboratoire de Génie
Chimique de Toulouse et le Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés.
2. Contexte industriel
Les réservoirs pétroliers sont des roches poreuses et perméables (telles que les grès
argileux ou encore les roches calcaires ou dolomitiques) dans lesquelles sont piégés des
hydrocarbures sous forme gazeuse et/ou liquide. Les réservoirs sont en général composés de
trois couches distinctes disposées selon leur masse volumique: du gaz dans la partie supérieure,
de l’huile au milieu et de l’eau dans la partie basse.
En début de vie de l'exploitation d’un gisement pétrolier, les puits produisent
majoritairement du gaz et de l’huile. Afin de maintenir le débit de production au cours de
l’exploitation, la perte de pression dans le réservoir peut être compensée par l’injection d’eau
dans la couche aquifère via un autre puits. Il devient alors difficile d’empêcher la présence d’eau
dans les puits d’extraction et les conduites de production.
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