Measurement of the Rheology of Crude Oil in Equilibrium with CO2 at Reservoir Conditions

Ruien Hu; John Crawshaw

doi:10.3791/55749

JoVE Journal > Environment

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

환경과학

Mesure de la rhéologie du pétrole brut en équilibre avec le CO 2 Aux conditions du réservoir

Published: June 06, 2017

doi:

10.3791/55749

Ruien Hu¹, John Crawshaw¹

¹Chemical Engineering Department,Imperial College London, Qatar Carbonate and Carbon Storage Research Centre

Summary

Une méthode pour mesurer la rhéologie du pétrole brut en équilibre avec le dioxyde de carbone dans les conditions du réservoir est présentée.

Abstract

Un système de rhéomètres pour mesurer la rhéologie du pétrole brut en équilibre avec le dioxyde de carbone (CO ₂ ) à haute température et aux pressions est décrit. Le système comprend un rhéomètre haute pression qui est relié à une boucle de circulation. Le rhéomètre comporte une cellule de mesure à écoulement rotatif avec deux géométries alternatives: cylindre coaxial et double espace. La boucle de circulation contient un mélangeur, pour amener l'échantillon de pétrole brut en équilibre avec le CO ₂ et une pompe à engrenages qui transporte le mélange du mélangeur vers le rhéomètre et le recycle vers le mélangeur. Le CO ₂ et le pétrole brut sont amenés à l'équilibre par agitation et circulation et la rhéologie du mélange saturé est mesurée par le rhéomètre. Le système est utilisé pour mesurer les propriétés rhéologiques du pétrole brut de Zuata (et sa dilution du toluène) en équilibre avec le CO ₂ à des pressions élevées allant jusqu'à 220 bars et à une température de 50 ° C. Les résultats montrent que tL'addition de CO ₂ modifie significativement la rhéologie de l'huile, réduisant initialement la viscosité à mesure que la pression de CO ₂ augmente, puis augmente la viscosité au-dessus d'une pression de seuil. La réponse non-newtonienne du brut est également modifiée avec l'ajout de CO ₂ .

Introduction

Dans la plupart des publications sur les propriétés physiques du CO ₂ et des mélanges d'huile brute, la viscosité est mesurée à l'aide d'un viscosimètre, ce qui signifie que la mesure est effectuée à une vitesse de cisaillement constante ou à une contrainte de cisaillement. Dans ces études, la viscosité du CO ₂ et du mélange d'huile brute est étudiée de manière simple: le centre d'intérêt est la relation entre la viscosité et d'autres paramètres, tels que la température, la pression et la concentration de CO ₂ . L'hypothèse clé faite dans ces études, mais rarement mentionnée explicitement, est que le mélange de CO ₂ et de pétrole brut se comporte comme un fluide newtonien. Cependant, il est bien connu que certaines huiles brutes, en particulier les matières grasses lourdes, peuvent montrer un comportement non newtonien sous certaines conditions ¹ ^, ² ^, ³ ^, ⁴ . Par conséquent, pour bien comprendre l'effet CO ₂ , la viscosité du CO ₂ Et le mélange de pétrole brut doit être étudié en fonction du taux de cisaillement ou du stress.

À notre connaissance, seule l'étude de Behzadfar et al . Rapporte la viscosité d'un pétrole brut lourd avec addition de CO ₂ à différents taux de cisaillement à l'aide d'un rhéomètre ⁵ . Dans la mesure de Behzadfar et al ., Le mélange entre le CO ₂ et le pétrole brut est obtenu par la rotation du cylindre interne de la géométrie du cylindre coaxial, un processus très lent. En outre, l'effet de la dissolution du CO ₂ sur la rhéologie des fondus de polymères a été rapporté dans la littérature, ce qui pourrait éclairer l'étude des mélanges de pétrole brut et de CO ₂ . Royer et al . Mesurer la viscosité de trois polymères commerciaux en fusion à diverses pressions, températures et concentrations de CO ₂ , en utilisant un rhéomètre à filière à fente extrudée haute pression ⁶ . Ils analysent ensuite les données via le volum gratuit E théorie. D'autres études similaires peuvent être trouvées dans Gerhardt et al . ⁷ et Lee et al . ⁸ . Notre méthode, où le mélange est effectué dans un mélangeur externe et la mesure de rhéologie dans une géométrie de cylindre coaxial, permet une mesure plus complète de la rhéologie du CO ₂ et du mélange d'huile brute.

Le système de circulation que nous avons développé contient quatre unités: une pompe à seringue, un mélangeur, une pompe à engrenages et un rhéomètre, comme le montrent la figure 1 et la figure 2 . Une barre d'agitation est placée au bas du mélangeur et couplée magnétiquement avec un ensemble d'aimants rotatifs. L'agitation est utilisée pour améliorer le mélange entre le CO ₂ et l'huile brute dans le mélangeur, ce qui accélère l'approche à l'équilibre entre les phases. La phase d'huile saturée de CO ₂ est retirée du bas du mélangeur à l'aide d'un tube plongeur et circulée dans le système de mesure.

Nt "> La viscosité est mesurée par une cellule à haute pression montée sur un rhéomètre. Il existe deux types de cellules de pression: l'une est dotée d'une géométrie coaxiale du cylindre, conçue pour la mesure du fluide visqueux, et l'autre avec une Géométrie à double intervalle pour une application à faible viscosité.

Figure 1: Le schéma du système de circulation avec la cellule de pression de la géométrie coaxiale du cylindre. La ligne bleue représente le flux de CO ₂ , et la ligne noire représente les mélanges d'huile brute. Reproduit avec la permission de Hu et al. ¹⁴ . Copyright 2016 American Chemical Society. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

E 2 "class =" xfigimg "src =" / files / ftp_upload / 55749 / 55749fig2.jpg "/>
Figure 2: Le schéma du système de circulation avec cellule de pression de géométrie à double intervalle. La ligne bleue représente le flux de CO ₂ , et la ligne noire représente les mélanges d'huile brute. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3: La cellule de pression de la géométrie coaxiale du cylindre. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

La cellule de pression de la géométrie du cylindre coaxial ( figure 3 ) présente un écart de 0,5 mm entre le cylindre intérieur et le cylindre extérieur, ce qui donne un volume d'échantillon de 18Ml. Le cylindre intérieur est couplé magnétiquement avec une coupelle rotative, qui est fixée à la broche du rhéomètre. Il y a deux roulements saphires en haut et en bas du cylindre intérieur qui sont directement en contact avec l'axe de rotation du cylindre intérieur. Étant donné que les roulements saphir sont exposés à l'échantillon par conception, le frottement du palier peut varier en fonction des propriétés de lubrification de l'échantillon.

Figure 4: La cellule de pression de géométrie à double intervalle. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

D'autre part, la cellule de pression à double intervalle comprend un rotor cylindrique dans une double géométrie d'écartement, comme l'illustre la figure 4 . Le vérin de mesure est montéSur la tête de pression à travers deux roulements à billes et couplé magnétiquement avec la coupelle de rotation, qui est reliée à la broche du rhéomètre. Les roulements à billes sont situés à l'intérieur de la tête de pression et ne sont pas en contact avec l'échantillon, qui est injecté dans l'espace de mesure et déborde dans un évidement dans le stator à partir duquel il est renvoyé dans le récipient de mélange.

Dans une expérience typique, l'échantillon d'huile brute est d'abord chargé dans le mélangeur. Après l'amorçage de l'ensemble du système avec le pétrole brut, le volume restant dans le système est évacué à l'aide d'une pompe à vide. Le CO ₂ est ensuite introduit dans le mélangeur à travers la pompe de la seringue et le système est amené à la température et à la pression souhaitées. La pression du système est contrôlée par la phase de CO ₂ par la pompe à seringue. Lorsque la pression est stabilisée, l'agitateur est allumé pour mélanger le CO ₂ et l'huile brute à l'intérieur du mélangeur. Ensuite, la pompe à engrenages est allumée pour retirer la phase huileuse de laMélangeur, remplir le rhéomètre et recycler le fluide vers le mélangeur. Par conséquent, le mélange entre le CO ₂ et le pétrole brut se fait en remuant simultanément dans le mélangeur et en circulant dans la boucle. L'état d'équilibre est surveillé par mesure périodique du volume de la pompe à seringue et de la viscosité du mélange. Lorsqu'il n'y a pas de changement (≤ 4%) dans le volume et la viscosité, l'équilibre est confirmé. À ce stade, la pompe à engrenages et l'agitateur sont éteints, suspendre le flux à travers la cellule de mesure et la mesure de la rhéologie est effectuée.

Protocol

Remarque: l'expérience fonctionne à haute température et pression, la sécurité est primordiale. Le système est protégé contre la surpression par la limite du logiciel sur le contrôleur de la pompe à seringue et les disques d'éclatement au mélangeur et entre la pompe à engrenages et le rhéomètre (voir Figure 1 et Figure 2 ). En outre, avant chaque expérience, il est recommandé d'effectuer un contrôle de fuite régulier. Il est également recommandé d'effectuer la vérification de friction de la géométrie de la cellule de pression pour s'assurer que le rhéomètre fonctionne bien 9 , 10 . 1. Préparation de l'échantillon de pétrole brut REMARQUE: utilisez l'échantillon de pétrole brut de Zuata tel que reçu. Le tableau suivant présente les propriétés physiques de base du pétrole brut de Zuata. ChaRacteristique Valeur API Gravity 9.28 Facteur de baril (bbl / t) 6.27 Soufre total (% en poids) 3.35 Reid Pression de vapeur (kPa) 1 Point de vidange (° C) 24 Contenu H 2 S existant (ppm) – Contenu potentiel de H 2 S (ppm) 115 Contenu potentiel de HCl (ppm) – Calc. Gross Cal. Valeur (kJ / kg) 41 855 Tableau 1: Propriétés physiques du pétrole brut de Zuata. Ajouter 128,57 g de toluène à 300 g de pétrole brut de Zuata pour préparer la dilution avec de l'huile brute de Zuata à 70% en poids et 30% en poids de toluène. Rôtir le mélange à température ambiante pendant 3 h. 2. Chargement de l'échantillon d'huile brute dans le mélangeur Débranchez le mélangeur du système et ouvrez-le. Placez un agitateur au bas du mélangeur. Chargez 200 ml d'échantillon d'huile brute dans le mélangeur. Après avoir serré toutes les vis, raccordez le mélangeur au système. 3. Amorçage du système entier avec l'échantillon d'huile brute Préparer le système avec la cellule de pression de la géométrie coaxiale du cylindre. REMARQUE: reportez-vous à la Figure 1 pour localiser la vanne. Fermez la cellule de pression du rhéomètre en serrant la tête de pression 9 . Monter la coupelle de rotation sur la broche du rhéomètre. Réglez-le sur la position de mesure 9 . Fermer les vannes A, D, E, F, G et H. Ouvrir la vanne C. Ouvrir le cylindre d'azote. Introduire le gaz comprimé dans le mélangeur en ouvrant les vannes H et E. Lorsque le gaz atteint le mélangeur, Fermez la vanne H et la bouteille de gaz. Ouvrir la soupape A. Le gaz comprimé poussera l'échantillon d'huile brute dans la boucle de circulation à travers le tube d'aspiration. Lorsque l'échantillon d'huile brute descend de la soupape C de la figure 1 , l'ensemble du système est amorcé par l'échantillon d'huile brute. Ouvrir la vanne F pour libérer le gaz restant. Fermer la vanne C et ouvrir la soupape D. Mettez la pompe à engrenage en marche pour faire circuler le fluide pendant un certain temps. En fonction de la viscosité de l'échantillon d'huile brute, cela pourrait prendre de 1 à 5 h. NOTE: La pression de l'azote comprimé introduit dans le mélangeur dépend de la viscosité de l'échantillon d'huile brute. Si la viscosité de l'échantillon d'huile brute dépasse 5 Pa ∙ s, la pression du gaz comprimé peut être supérieure à 15 bar. Préparez le système avec la cellule de pression de géométrie à double intervalle. REMARQUE: reportez-vous à la Figure 2 pour localiser la vanne. Supprimer tLa tête de pression et le cylindre de mesure de la cellule de pression. Fermer les vannes A, D, E, F, G, H et I. Ouvrir la vanne C. Ouvrir le cylindre d'azote. Introduire le gaz comprimé dans le mélangeur en ouvrant les vannes H et E. Lorsque le gaz atteint le mélangeur, fermez la vanne H et la bouteille de gaz. Ouvrir la soupape A. Le gaz comprimé poussera l'échantillon d'huile brute dans la boucle de circulation à travers le tube d'aspiration. Lorsque l'échantillon de pétrole brut immergez la partie interne de la géométrie de double intervalle, ouvrez la vanne F pour libérer la pression dans le mélangeur. Allumez la pompe à engrenages. Réglez soigneusement la vitesse de rotation de la pompe à engrenages. Assurez-vous que le débit d'entrée de la cellule de pression, déterminé par la pompe à engrenages, est inférieur ou égal au débit de sortie de la cellule de pression, qui est déterminé par gravité. Lorsque l'on trouve une vitesse de rotation raisonnable de la pompe à engrenages et que l'échantillon d'huile brute descend de la soupape C, l'huile est entièrement amorcée. TPouce éteignez la pompe à engrenages. Montez le cylindre de mesure et la tête de pression sur la cellule de pression 10 . Fermer la vanne C et ouvrir la soupape D. Mettez la pompe à engrenages en marche pour faire circuler le fluide. REMARQUE: Si l'échantillon d'huile brute a une viscosité similaire à l'eau, le gaz comprimé avec une pression de 3 à 4 bar suffit. 4. Evacuer le volume restant dans le système Fermer les soupapes A et D sur la figure 1 ou la figure 2 . Raccorder la pompe à vide à la vanne F. Allumer la pompe à vide pendant 15 min. Fermer la vanne F, puis éteindre la pompe à vide. 5. Présentation du CO 2 dans le Mixer Avec cellule de pression de géométrie coaxiale du cylindre Ouvrez la vanne G et le cylindre CO 2 dans la figure 1 . Ouvrir la vanne D sur la figure 1 . </ Li> Une fois que le CO 2 remplit l'espace restant dans le système, fermez la vanne G et le cylindre de CO 2 pour empêcher le CO 2 de revenir vers le cylindre. Avec cellule de pression de géométrie à double intervalle Ouvrez la vanne G et le cylindre CO 2 dans la figure 2 . Ouvrir la vanne D et I dans la figure 2 . Une fois que le CO 2 remplit l'espace restant dans le système, fermez la vanne G et le cylindre de CO 2 pour empêcher le CO 2 de revenir vers le cylindre. 6. Réglage de la température et de la pression Entrez la valeur de température souhaitée sur le mélangeur et le rhéomètre. Introduire la valeur de température souhaitée dans le système de chauffage du réseau de pipeline. Introduire la valeur de pression souhaitée dans la pompe de la seringue. Attendez que la température et la pression se stabilisent. Jove_title "> 7. Allumer l'agitateur et la pompe à engrenages Ouvrez les vannes en aval et en amont de la pompe à engrenages. 8. Surveillance du volume dans le mélangeur et de la viscosité du mélange Enregistrez la lecture du volume dans la pompe à seringue toutes les 6 h. Après toutes les 6 h, éteignez l'agitateur et la pompe à engrenages. Mesurer la viscosité du mélange à travers le rhéomètre. La mesure de viscosité commence avec un temps de décantation de 5 minutes, puis mesure la viscosité à une vitesse de cisaillement constante de 10 s -1 . Lorsque les valeurs de volume et de viscosité présentent des différences considérables (> 4%) entre deux mesures consécutives, allumez à nouveau la pompe à engrenages et l'agitateur pour continuer le mélange. Lorsque les mesures du volume et de la viscosité ne montrent aucune variation des valeurs (≤ 4%), l'équilibre entre l'échantillon de CO 2 et l'échantillon de pétrole brut est confirmé. Éteignez la pompe à engrenages et l'agitateur pour la mesure de la rhéologie. REMARQUE:La durée de mélange pourrait durer de 1 à 2 jours, en fonction de la viscosité de l'échantillon d'huile brute. 9. Exécution de la mesure de rhéologie Avec la cellule de pression de la géométrie coaxiale 9 Fermez les vannes A et D de la figure 1 pour la mesure de la rhéologie. Préchauffer le mélange à une vitesse de cisaillement de 10 s -1 pendant 0,5 min. Reposer le mélange pendant 1 min. Mesurer la viscosité du mélange à une vitesse de cisaillement de 500 s -1 à 10 s -1 . À chaque vitesse de cisaillement, le temps de réglage du taux de cisaillement est de 0,2 min. La durée de mesure à chaque pas de vitesse de cisaillement est logarithmiquement augmentée de 0,5 min à 1 min, à l'exclusion du temps de réglage du taux de cisaillement. Avec cellule de pression de géométrie à double intervalle 10 Fermez les vannes A et D de la figure 2 pour la mesure de la rhéologie. Pré-cisaillementLe mélange à une vitesse de cisaillement de 10 s -1 pendant 0,5 min. Reposer le mélange pendant 1 min. Mesurer la viscosité du mélange à une vitesse de cisaillement de 250 s -1 à 10 s -1 . À chaque vitesse de cisaillement, le temps de réglage du taux de cisaillement est de 0,2 min. La durée de mesure à chaque pas de vitesse de cisaillement est logarithmiquement augmentée de 0,5 min à 1 min, à l'exclusion du temps de réglage du taux de cisaillement. 10. Augmenter la pression vers la valeur souhaitée suivante Avec la cellule de pression de géométrie coaxiale du cylindre Fermer la vanne E sur la figure 1 . Introduire plus de CO 2 dans la pompe à seringue en ouvrant la vanne G et le cylindre CO 2 . Fermer la vanne G et le cylindre CO 2 . Ouvrez la vanne E pour ajouter plus de CO 2 au mélangeur. Si la pression est inférieure à la valeur souhaitée, répétez pour introduire plus de CO 2 . Entrer le nouvel ensemble de pression poInt dans la pompe à seringue. Attendez que la pression se stabilise. Avec la cellule de pression de géométrie à double intervalle Fermer les vannes E et I dans la Figure 2 . Introduire plus de CO 2 dans la pompe à seringue en ouvrant la vanne G et le cylindre CO 2 . Fermer la vanne G et le cylindre CO 2 . Ouvrez les vannes E et I pour ajouter plus de CO 2 au mélangeur. Si la pression est inférieure à la valeur souhaitée, répétez l'étape pour introduire plus de CO 2 . Entrer le nouveau point de consigne de pression dans la pompe à seringue. Attendez que la pression se stabilise. REMARQUE: Répétez les étapes 7 à 10 pour la mesure de rhéologie à des pressions plus élevées.

Representative Results

La mesure de la rhéologie du pétrole brut de Zuata et son mélange saturé de CO 2 , à 50 ° C à l'aide de la cellule de pression de la géométrie du cylindre coaxial, est illustrée par la figure 5 et la figure 6 . La figure 5 montre la mesure de la température ambiante à 100 bars, tandis que la figure 6 montre la mesure de 120 bar à 220 bar. En outre, la figure 7 illustre la viscosité relative, qui est le rapport de la viscosité à une vitesse de cisaillement donnée à la viscosité au taux de cisaillement le plus bas. Les lignes pointillées de la figure 7 sont l'erreur de mesure maximale provoquée par le frottement des paliers de la géométrie. La mesure de la rhéologie à 50 ° C du pétrole brut dilué de Zuata, en utilisant une cellule à pression de géométrie à double intervalle, est iIllustré par la figure 8 et la figure 9 , tandis que la figure 10 montre la viscosité relative pour une pression jusqu'à 70 bar. En outre, la figure 10 montre que le pétrole brut dilué à la pression ambiante se comporte comme un fluide newtonien. Cependant, lorsque la pression de CO 2 est comprise entre 30 bar et 60 bar, l'effet d'amincissement de cisaillement est observé. À une pression de CO 2 supérieure à 60 bars, l'amincissement de cisaillement disparaît et le mélange se comporte de nouveau comme un liquide newtonien. A partir de la figure 5 et de la figure 6, on peut voir que la dissolution du CO 2 diminue significativement la viscosité du mélange d'huile brute jusqu'à 100 bars. Lorsque la pression de CO 2 dépasse 100 bar, la viscosité du mélange d'huile augmente avec l'augmentation de la pression de CO 2 , mais à un taux beaucoup plus faible. <pclass > La figure 7 révèle que le pétrole brut de Zuata présente un effet d'éclaircie par cisaillement sans addition de CO 2 . Lorsque le CO 2 est dissous dans l'huile brute, l'effet d'éclaircie par cisaillement est affaibli, étant donné que les courbes à des pressions plus élevées de CO 2 sont plus plates. Aux pressions de CO 2 supérieures à 40 bar, la variation de viscosité avec le taux de cisaillement se situe dans la plage d'erreur de mesure, de sorte que le mélange peut être considéré comme newtonien. La dissolution du CO 2 s'affaiblit et élimine finalement l'effet d'éclaircie par cisaillement du pétrole brut de Zuata. Cela indique que la molécule de CO 2 dissoute dans le pétrole brut peut finalement perturber le réseau d'association généré par les macromolécules dans l'huile brute, comme les asphaltènes. En ce qui concerne le pétrole brut dilué, comme le montre la figure 8 , l'annonce CO 2Diminue considérablement la viscosité du mélange d'huile à un minimum de 70 bars. À mesure que la pression de CO 2 dépasse 70 bar ( Figure 9 ), la pression de CO 2 plus élevée entraîne une augmentation de la viscosité de l'huile. Selon l'étude de Seifried et al . 11 , à la fois dans le pétrole brut original et dilué de Zuata, l'apparition de la précipitation d'asphaltene se produit à des pressions de CO 2 supérieures à 80 bar. Cependant, dans nos expériences de rhéologie lorsque la pression est supérieure à 80 bar, le mélange de pétrole brut / CO 2 se comporte comme un liquide newtonien. Cela implique que la précipitation d'asphaltene ne modifie pas les propriétés rhéologiques de ce mélange. Les résultats de rhéologie pour le pétrole brut dilué sont également intéressants: dans ce cas, la dissolution du CO 2 donne lieu au comportement non newtonien, qui ne concerne que l'applicationOreilles dans une certaine gamme de pression de CO 2 . Deux spéculations sont données ici pour l'effet d'éclaircie par cisaillement induit par l'addition de CO 2 . La première spéculation est que le comportement non newtonien est causé par des micelles formées par les molécules d'asphaltène sous la dissolution du CO 2 . Le CO 2 dissous dans le pétrole brut peut réduire la concentration critique de micelles (CMC) du système par son action sur la structure des agrégats d'asphaltene, ce qui peut conduire à une plus grande interaction entre les micelles 12 . À des pressions de 30 à 60 bars, la distance entre les micelles d'asphaltene peut être dans la portée effective de la force d'attraction van der Waals 13 . Ainsi, un réseau d'association est formé parmi les micelles et provoque l'effet d'éclaircie par cisaillement. Cependant, lorsque la pression est supérieure à 60 bars, l'effet de CO 2 sur le solvant ou les molécules non-asphaltènes est domQui entraîne une augmentation de la CMC. Par conséquent, les micelles d'asphaltene sont déstabilisées et, par conséquent, le réseau d'association disparaît. La deuxième spéculation est basée sur le point de vue du comportement de la phase. Aux pressions de CO 2 entre 30 et 60 bar, une phase liquide riche en CO 2 peut avoir été générée, ce qui fait que le mélange forme un système liquide-liquide-vapeur (LLV). Une émulsion de ces deux liquides pourrait être formée par le mélange par agitation et circulation en raison de la densité similaire des deux phases liquides. En tant que phase dispersée de l'émulsion, la phase liquide riche en CO 2 peut être stabilisée par l'asphaltène dans l'huile brute. Cette émulsion montre un comportement non newtonien parce que la phase dispersée donne naissance à un réseau d'association. Cependant, lorsque plus de CO 2 est dissous dans le mélange d'huile à une pression supérieure à 60 bars, les deux phases liquides deviennent de nouveau miscibles. Le résultat est un Système de vapeur de liquide (LV) composé d'un liquide riche en pétrole brut en équilibre avec une vapeur riche en CO 2 et la phase liquide riche en pétrole brut se comporte comme un fluide newtonien. Figure 5. Mesure de la viscosité pour le pétrole brut lourd de Zuata avec du CO 2 à 50 ° C et divers taux de cisaillement. , Limite de vitesse de cisaillement inférieure; , Ambiant; , 20 bar; , 40 bar; , 60 bar; , 80 bar; Ftp_upload / 55749 / 55749_dGreenDot.jpg "/>, 100 bar. Réimprimé avec la permission de Hu et al., 15. Copyright 2016 American Chemical Society. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 6. Mesure de la viscosité pour le pétrole brut lourd de Zuata avec du CO 2 à 50 ° C et divers taux de cisaillement. , Limite de vitesse de cisaillement inférieure; , 120 bar; 140 bar; 160 bars;5749 / 55749_orangeDot.jpg "/>, 180 bar; 200 bar; , 220 bar. Reproduit avec la permission de Hu et al. 15 . Copyright 2016 American Chemical Society. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 7. La viscosité relative pour le pétrole brut de Zuata avec du CO 2 à 50 ° C et divers taux de cisaillement. – – plage de fluctuation de mesure; , pression ambiante; , 20 bar; <img alt="Équation" src = "/ files / ftp_upload / 55749 / 55749_orangeDot.jpg" />, 40 bar; , 60 bar; , 80 bar; , 100 bar; , 120 bar; 140 bar; 160 bars; 180 bar; , 220 bar. Reproduit avec la permission de Hu et al. 15 . Copyright 2016 American Chemical Society. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. E_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figure 8. Mesure de la viscosité pour le pétrole brut dilué avec du CO 2 à 50 ° C et divers taux de cisaillement. , Limite de vitesse de cisaillement inférieure; , 1 bar; , 10 bar; , 20 bar; , 30 bar; , 40 bar; , 50 bar; , 60 bar;D / 55749 / 55749_purpleDiamond.jpg "/>, 70 bar. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 9. Mesure de la viscosité pour le pétrole brut dilué avec du CO 2 à 50 ° C et divers taux de cisaillement. , Limite de vitesse de cisaillement inférieure; , 80 bar; , 100 bar; , 120 bar; 140 bar; 160 bars; <img alt="Équation" src = "/ files / ftp_upload / 55749 / 55749_lBlueX.jpg" />, 180 bar; 200 bar; , 220 bar. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 10. La viscosité relative pour le pétrole brut dilué avec du CO 2 à 50 ° C et divers taux de cisaillement. – – plage de fluctuation de mesure; , 1 bar; , 10 bar; , 20 bar;Tp_upload / 55749 / 55749_lGreenDiamond.jpg "/>, 30 bar; , 40 bar; , 50 bar; , 60 bar; , 70 bar. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Discussion

Deux étapes sont essentielles à l'opération. La première consiste à amortir l'ensemble du système par l'échantillon de pétrole brut. En remplissant le système avec l'échantillon d'huile brute, la pompe à engrenages peut être bien lubrifiée par l'échantillon d'huile, et tout blocage dans la boucle de circulation peut être facilement identifié. Ainsi, la pompe à engrenages peut être empêchée d'endommager. La deuxième étape critique consiste à surveiller périodiquement la viscosité du mélange pour confirmer l'équilibre entre le CO ₂ et l'huile brute. Étant donné qu'il faut beaucoup de temps pour atteindre l'équilibre entre le CO ₂ et le pétrole lourd lourd visqueux ¹⁶ , l'exécution de la mesure de rhéologie trop tôt sous-estimera l'effet de l'addition de CO ₂ sur la viscosité de l'huile. Par conséquent, seulement lorsque la viscosité mesurée atteint une valeur constante (moins de 4% de variation), le mélange peut-il être considéré en équilibre avec le CO ₂ .

Le système de mesure actuel uniquementPermet la mesure de la rhéologie du mélange saturé de CO ₂ . Pour mesurer les mélanges sous-saturés, un vaisseau amont pourrait être introduit dans le courant de CO ₂ . Le CO ₂ sera d'abord introduit dans le récipient amont, puis isolé de la source, de sorte que la quantité de CO ₂ puisse être contrôlée par le volume et la pression dans le vaisseau amont. La pression totale du système dans ce cas serait contrôlée par un gaz inerte, comme l'hélium. Kariznovi et al . Fournit une bonne critique sur l'appareil utilisé pour mesurer les propriétés physiques du CO ₂ et du mélange brut de pétrole brut ¹⁷ . Les modifications peuvent se référer aux systèmes qui ont été examinés dans leur document.

Il convient de mentionner que le système décrit ici peut mesurer la rhéologie de tout mélange gaz-liquide; Par conséquent, son application n'est pas limitée aux huiles brutes. Par exemple, il peut être utilisé pour mesurer l'effet CO ₂ sur la rhEologie des émulsions ¹⁸ ^, ¹⁹ de Pickering et plastification au gaz ⁶ . En introduisant le dispositif de mesure de la conductivité électrique dans la cellule de pression du rhéomètre, l'effet de la dissolution du gaz sur l'inversion de phase induite par cisaillement des émulsions pourrait également être étudié ²⁰ ^, ²¹ ^, ²² ^, ²³ .

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Les auteurs reconnaissent avec reconnaissance le financement du Centre de recherche sur les carbonates et le stockage du carbone de Qatar (QCCSRC), fourni conjointement par Qatar Petroleum, Shell et Qatar Science and Technology Park. Les auteurs remercient Frans van den Berg (Shell Global Solutions, Amsterdam, Pays-Bas) pour la fourniture de l'échantillon de pétrole brut.

Materials

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

References

Hasan, S. W., Ghannam, M. T., Esmail, N. Heavy crude oil viscosity reduction and rheology for pipeline transportation. Fuel. 89 (5), 1095-1100 (2010).
Henaut, I., Barre, L., Argillier, J. F., Brucy, F., Bouchard, R. Rheological and Structural Properties of Heavy Crude Oils in Relation With Their Asphaltenes Content. SPE International Symposium on Oilfield Chemistry. , 13-16 (2013).
Ghannam, M. T., Hasan, S. W., Abu-Jdayil, B., Esmail, N. Rheological properties of heavy & light crude oil mixtures for improving flowability. J. Petrol. Sci. Eng. 81, 122-128 (2012).
Martínez-Palou, R., et al. Transportation of heavy and extra-heavy crude oil by pipeline: A review. J. Petrol. Sci. Eng. 75 (3-4), 274-282 (2011).
Behzadfar, E., Hatzikiriakos, S. G. Rheology of bitumen: Effects of temperature, pressure, CO2 concentration and shear rate. Fuel. 116, 578-587 (2014).
Royer, J. R., Gay, Y. J., Desimone, J. M., Khan, S. A. High-pressure rheology of polystyrene melts plasticized with CO2: Experimental measurement and predictive scaling relationships. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 38 (23), 3168-3180 (2000).
Gerhardt, L. J., Manke, C. W., Gulari, E. Rheology of polydimethylsiloxane swollen with supercritical carbon dioxide. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 35 (3), 523-534 (1997).
Lee, M., Park, C. B., Tzoganakis, C. Measurements and modeling of PS/supercritical CO2 solution viscosities. Polym. Eng. Sci. 39 (1), 99-109 (1999).
Seifried, C., Hu, R., Headen, T., Crawshaw, J., Boek, E. IOR 2015-18th European Symposium on Improved Oil Recovery. Eage. , (2015).
Priyanto, S., Mansoori, G. A., Suwono, A. Measurement of property relationships of nano-structure micelles and coacervates of asphaltene in a pure solvent. Chem. Eng. Sci. 56 (24), 6933-6939 (2001).
Zhao, Y., et al. Effect of compressed CO2 on the properties of lecithin reverse micelles. Langmuir. 24 (17), 9328-9333 (2008).
Hu, R., Trusler, J. P. M., Crawshaw, J. P. The effect of CO2 dissolution on the rheology of a heavy oil/water emulsion. Energy Fuels. , (2016).
Hu, R., Crawshaw, J. P., Trusler, J. P. M., Boek, E. S. Rheology and Phase Behavior of Carbon Dioxide and Crude Oil Mixtures. Energy Fuels. , (2016).
Zhang, Y. P., Hyndman, C. L., Maini, B. B. Measurement of gas diffusivity in heavy oils. J. Petrol. Sci. Eng. 25 (1-2), 37-47 (2000).
Kariznovi, M., Nourozieh, H., Abedi, J. Experimental apparatus for phase behavior study of solvent-bitumen systems: A critical review and design of a new apparatus. Fuel. 90 (2), 536-546 (2011).
Tang, J., Quinlan, P. J., Tam, K. C. Stimuli-responsive Pickering emulsions: recent advances and potential applications. Soft Matter. 11 (18), 3512-3529 (2015).
Aveyard, R., Binks, B. P., Clint, J. H. Emulsions stabilised solely by colloidal particles. Adv. Colloid Interface Sci. 100, 503-546 (2003).
Kawashima, Y., Hino, T., Takeuchi, H., Niwa, T., Horibe, K. Rheological Study of W/O/W Emulsion by a Cone-and-Plate Viscometer – Negative Thixotropy and Shear-Induced Phase Inversion. Int. J. Pharm. 72 (1), 65-77 (1991).
Perazzo, A., Preziosi, V., Guido, S. Phase inversion emulsification: Current understanding and applications. Adv. Colloid Interface Sci. 222, 581-599 (2015).
Yeo, L. Y., Matar, O. K., de Ortiz, E. S. P., Hewitt, G. F. Phase Inversion and Associated Phenomena. Multiphase Sci Technol. 12 (1), (2000).
Liu, L., Matar, O. K., de Ortiz, E. S. P., Hewitt, G. F. Experimental investigation of phase inversion in a stirred vessel using LIF. Chem. Eng. Sci. 60 (1), 85-94 (2005).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Hu, R., Crawshaw, J. Measurement of the Rheology of Crude Oil in Equilibrium with CO₂ at Reservoir Conditions. J. Vis. Exp. (124), e55749, doi:10.3791/55749 (2017).