Se presenta un método para medir la reología del petróleo crudo en equilibrio con dióxido de carbono en las condiciones del yacimiento.
Se describe un sistema de reómetro para medir la reología del petróleo crudo en equilibrio con dióxido de carbono (CO 2 ) a altas temperaturas y presiones. El sistema comprende un reómetro de alta presión que está conectado a un circuito de circulación. El reómetro tiene una celda de medición de flujo rotacional con dos geometrías alternativas: cilindro coaxial y doble espacio. El bucle de circulación contiene un mezclador, para poner la muestra de crudo en equilibrio con CO 2 , y una bomba de engranajes que transporta la mezcla desde el mezclador al reómetro y la recicla de vuelta al mezclador. El CO $ ₂ $ y el petróleo crudo se ponen en equilibrio por agitación y circulación y la reología de la mezcla saturada se mide mediante el reómetro. El sistema se utiliza para medir las propiedades reológicas del aceite crudo Zuata (y su dilución de tolueno) en equilibrio con CO 2 a presiones elevadas de hasta 220 bar ya una temperatura de 50 ° C. Los resultados muestran tLa adición de CO 2 cambia significativamente la reología del aceite, reduciendo inicialmente la viscosidad a medida que aumenta la presión de CO 2 y luego aumenta la viscosidad por encima de una presión umbral. También se observa que la respuesta no-newtoniana del crudo cambia con la adición de CO 2 .
En la mayor parte de la literatura sobre las propiedades físicas de CO 2 y mezclas de petróleo crudo, la viscosidad se mide utilizando un viscosímetro, lo que significa que la medición se realiza a una velocidad de cizallamiento constante o tensión de cizallamiento. En estos estudios se investiga de forma sencilla la viscosidad del CO 2 y de la mezcla de crudo: el foco de interés son las relaciones entre la viscosidad y otros parámetros, como la temperatura, la presión y la concentración de CO 2 . La asunción clave de estos estudios, aunque rara vez se menciona explícitamente, es que el CO 2 y la mezcla de crudo se comporta como un líquido newtoniano. Sin embargo, es bien sabido que algunos aceites crudos, especialmente crudos pesados, pueden mostrar un comportamiento no newtoniano bajo ciertas condiciones 1 , 2 , 3 , 4 . Por lo tanto, para comprender completamente el efecto CO 2 , la viscosidad de CO2 </sub> Y la mezcla de aceite crudo debe ser estudiada en función de la velocidad de corte o estrés.
Hasta donde sabemos, sólo el estudio de Behzadfar et al . Informa la viscosidad de un petróleo crudo pesado con adición de CO 2 a diferentes velocidades de cizallamiento usando un reómetro 5 . En la medición de Behzadfar et al ., La mezcla entre CO 2 y petróleo crudo se consigue mediante la rotación del cilindro interior de la geometría del cilindro coaxial, proceso muy lento. Además, el efecto de la disolución de CO 2 sobre la reología de las masas fundidas de polímero ha sido reportado en la literatura, lo que podría arrojar luz sobre el estudio del petróleo crudo pesado y mezclas de CO 2 . Royer et al . Miden la viscosidad de tres polímeros fundidos comerciales a diversas presiones, temperaturas y concentraciones de CO 2 , utilizando un reómetro de troquel de extrusión de alta presión 6 . A continuación, analizan los datos a través del volumen libre E teoría. Otros estudios similares se pueden encontrar en Gerhardt et al . 7 y Lee et al . 8 . Nuestro método, en el que el mezclado se realiza en un mezclador externo y la medida reológica en una geometría de cilindro coaxial, permite una medición más completa de la reología de CO 2 y mezcla de crudo.
El sistema de circulación que desarrollamos contiene cuatro unidades: una bomba de jeringa, mezclador, bomba de engranajes y reómetro, como se muestra en la Figura 1 y la Figura 2 . Se coloca una barra de agitación en la parte inferior del mezclador y se acopla magnéticamente con un conjunto de imán giratorio. La agitación se utiliza para potenciar la mezcla entre CO 2 y aceite crudo en el mezclador, acelerando el acercamiento al equilibrio entre las fases. La fase de aceite saturado de CO $ ₂ $ se retira de cerca del fondo del mezclador usando un tubo de inmersión y se hace circular a través del sistema de medición.
La viscosidad se mide mediante una célula de alta presión montada en un reómetro, existen dos tipos de celdas de presión: una con una geometría de cilindro coaxial, que está diseñada para la medición de fluido viscoso, y la otra con una Doble geometría de hueco para aplicaciones de baja viscosidad.
Figura 1: Esquema del sistema de circulación con célula coaxial de presión de geometría del cilindro. La línea azul representa el flujo de CO 2 , y la línea negra representa las mezclas de crudo. Reimpreso con permiso de Hu et al. 14 . Copyright 2016 Sociedad Química Americana. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Figura 2: Esquema del sistema de circulación con célula de presión de doble geometría de hueco. La línea azul representa el flujo de CO 2 , y la línea negra representa las mezclas de crudo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: La celda coaxial de presión de geometría del cilindro. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La celda de presión de geometría de cilindro coaxial ( Figura 3 ) tiene una separación de 0,5 mm entre el cilindro interior y el exterior, dando lugar a un volumen de muestra de 18Ml. El cilindro interior está acoplado magnéticamente con una copa rotatoria, que está unida al husillo del reómetro. Hay dos cojinetes de zafiro en la parte superior e inferior del cilindro interior, que están directamente en contacto con el eje de rotación del cilindro interior. Dado que los cojinetes de zafiro están expuestos a la muestra por diseño, la fricción del cojinete puede variar según las propiedades de lubricación de la muestra.
Figura 4: La celda de presión de geometría de doble espacio. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Por otra parte, la célula de presión de doble espacio comprende un rotor cilíndrico en una geometría de espacio doble, como se ilustra en la figura 4 . El cilindro de medición está montadoEn la cabeza de presión a través de dos cojinetes de bolas y acoplado magnéticamente con el vaso de rotación, que está conectado al husillo del reómetro. Los cojinetes de bolas están situados dentro de la cabeza de presión y no están en contacto con la muestra, que se inyecta en el espacio de medida y desborda en un rebaje en el estator desde el que se devuelve al recipiente de mezcla.
En un experimento típico, la muestra de crudo se carga primero en el mezclador. Después de cebar todo el sistema con el aceite crudo, el volumen restante en el sistema se evacua usando una bomba de vacío. El CO2 se introduce entonces en el mezclador a través de la bomba de jeringa y el sistema se lleva a la temperatura y presión deseadas. La presión del sistema se controla a través de la fase de CO 2 mediante la bomba de la jeringa. Cuando la presión se estabiliza, el agitador se enciende para mezclar el CO $ ₂ $ y el aceite crudo dentro del mezclador. A continuación, se enciende la bomba de engranajes para retirar la faseMezclador, llenar el reómetro y reciclar el líquido de nuevo a la mezcladora. Por lo tanto, la mezcla entre CO2 y aceite crudo se realiza agitando simultáneamente en el mezclador y circulando en el bucle. El estado de equilibrio se controla mediante la medición periódica tanto del volumen en la bomba de jeringa como de la viscosidad de la mezcla. Cuando no hay cambio (≤ 4%) tanto en el volumen como en la viscosidad, se confirma el equilibrio. En esta etapa se desconecta la bomba de engranajes y el agitador, suspendiendo el flujo a través de la celda de medición y se realiza la medición de la reología.
Dos pasos son críticos en la operación. La primera es cebar todo el sistema por la muestra de crudo. Al rellenar el sistema con la muestra de aceite crudo, la bomba de engranajes puede ser bien lubricada por la muestra de aceite y cualquier bloqueo en el circuito de circulación puede ser fácilmente identificado. De este modo, se puede evitar que la bomba de engranajes se dañe. La segunda etapa crítica supervisa periódicamente la viscosidad de la mezcla para confirmar el equilibrio entre el CO 2 y el petróleo crudo. Dado que se tarda una cantidad considerable de tiempo en alcanzar el equilibrio entre el CO 2 y el crudo pesado viscoso 16 , la medición de la reología demasiado temprana subestimará el efecto de la adición de CO 2 sobre la viscosidad del aceite. Por lo tanto, sólo cuando la viscosidad medida alcanza un valor constante (menos del 4% de cambio), se puede considerar la mezcla en equilibrio con CO 2 .
Sólo el sistema de medición de corrientePermite la medida reológica de la mezcla saturada de CO 2 . Para medir mezclas insuficientemente saturadas, se podría introducir un recipiente de aguas arriba a la corriente de CO $ ₂ $ . El CO 2 se introducirá primero en el recipiente aguas arriba y luego se aislará de la fuente, de manera que la cantidad de CO 2 pueda controlarse por el volumen y la presión en el recipiente aguas arriba. La presión total del sistema en este caso sería controlada por un gas inerte, tal como el helio. Kariznovi et al . Proporciona una buena revisión sobre el aparato utilizado para medir las propiedades físicas de CO 2 y la mezcla de crudo pesado 17 . Las modificaciones pueden referirse a los sistemas que revisaron en su trabajo.
Debe mencionarse que el sistema aquí descrito puede medir la reología de cualquier mezcla gas-líquido; Por lo tanto su aplicación no se limita a los aceites crudos. Por ejemplo, puede usarse para medir el efecto de CO 2 en el rhEología de las emulsiones de Pickering 18 , 19 y plastificación inducida por gas 6 . Mediante la introducción del dispositivo de medición de la conductividad eléctrica en la célula de presión del reómetro, también se podría estudiar el efecto de la disolución del gas sobre la inversión de fase inducida por esfuerzo cortante de las emulsiones 20 , 21 , 22 , 23 .
The authors have nothing to disclose.
Los autores agradecen el financiamiento del Qatar Carbonates and Carbon Storage Research Center (QCCSRC), proporcionado conjuntamente por Qatar Petroleum, Shell y Qatar Science and Technology Park. Los autores agradecen a Frans van den Berg (Shell Global Solutions, Amsterdam, Países Bajos) por proporcionar la muestra de crudo.
Heavy Crude Oil | Shell | N/A | Produced from the Zuata oil flied. Used without further treatment |
Toluene | Sigma-Aldrich | 244511-2L | Anhydrous, 99.8%. Used without further treatment |
CO2 | BOC | 111304-F | CP Grade. Used without further treatment |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Syringe Pump | Teledyne ISCO | 65D | |
Mixer | Parr Instruments | 4651 | Vessel volume 250 ml. Mounted on a series 4923EE bench-top heater |
Gear Pump 1 | Polymer Systems Inc. | CIP-12/1.5 | Used with CC29/Pr pressure cell for high viscosity fluids. |
Gear Pump 2 | Micropump | GAH X21 | Used with DG35.12/Pr pressure cell for low viscosity fluids. |
Rheometer | Anton Paar | MCR301 | |
Pressure cell 1 | Anton Paar | CC29/Pr | With flow-through configuration. Used for high viscosity fluids. Coaxial cylinder geometry |
Pressure cell 2 | Anton Paar | DG35.12/Pr | With flow-through configuration. Used for low viscosity fluids. Double gap geometry |