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

Ruien Hu; John Crawshaw

doi:10.3791/55749

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환경과학

Messung der Rheologie des Rohöls im Gleichgewicht mit CO 2 Bei Vorratsbedingungen

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

Es wird ein Verfahren zur Messung der Rheologie von Rohöl im Gleichgewicht mit Kohlendioxid bei Reservoirbedingungen vorgestellt.

Abstract

Ein Rheometersystem zur Messung der Rheologie von Rohöl im Gleichgewicht mit Kohlendioxid (CO ₂ ) bei hohen Temperaturen und Drücken wird beschrieben. Das System besteht aus einem Hochdruck-Rheometer, das mit einer Umlaufschleife verbunden ist. Das Rheometer hat eine rotationsdurchflussende Messzelle mit zwei alternativen Geometrien: Koaxialzylinder und Doppelspalt. Die Zirkulationsschleife enthält einen Mischer, um die Rohölprobe in Gleichgewicht mit CO ₂ zu bringen, und eine Zahnradpumpe, die die Mischung vom Mischer zum Rheometer transportiert und zurück zum Mischer zurückführt. Das CO ₂ und das Rohöl werden durch Rühren und Zirkulation ins Gleichgewicht gebracht und die Rheologie des gesättigten Gemisches wird durch das Rheometer gemessen. Das System dient zur Messung der rheologischen Eigenschaften von Zuata-Rohöl (und seiner Toluolverdünnung) im Gleichgewicht mit CO ₂ bei erhöhten Drücken bis zu 220 bar und einer Temperatur von 50 ° C. Die Ergebnisse zeigen tHut CO ₂ -Anhang ändert die Öl-Rheologie signifikant, wobei zunächst die Viskosität verringert wird, wenn der CO ₂ -Druck erhöht wird und dann die Viskosität oberhalb eines Schwellendrucks erhöht wird. Die nicht-Newtonsche Antwort des Rohöls wird auch mit der Zugabe von CO ₂ verändert.

Introduction

In der meisten Literatur über die physikalischen Eigenschaften von CO _{2 –} und Rohölgemischen wird die Viskosität mit einem Viskosimeter gemessen, dh die Messung erfolgt bei konstanter Schergeschwindigkeit oder Scherspannung. In diesen Studien wird die Viskosität von CO ₂ und Rohölgemisch auf einfache Weise untersucht: Im Fokus stehen die Beziehungen zwischen der Viskosität und anderen Parametern wie Temperatur, Druck und CO ₂ -Konzentration. Die Schlüsselannahme, die in diesen Studien gemacht wurde und dennoch selten explizit erwähnt wird, ist, dass sich die CO _{2 –} und Rohölmischung wie eine Newtonsche Flüssigkeit verhält. Es ist jedoch bekannt, dass einige Rohöle, besonders schweres Rohöl, unter bestimmten Bedingungen ¹ ^, ² ^, ³ ^, ⁴ nicht-Newtonschen Verhalten zeigen können. Um den CO ₂ -Effekt vollständig zu verstehen, ist die Viskosität von CO ₂ Und Rohölmischung als Funktion der Scherrate oder Stress untersucht werden.

Nach unserem Wissen ist nur die Studie von Behzadfar et al . Berichtet die Viskosität eines schweren Rohöls mit CO ₂ -Addition bei unterschiedlichen Schergeschwindigkeiten unter Verwendung eines Rheometers ⁵ . Bei der Messung von Behzadfar et al . Wird das Mischen zwischen CO ₂ und Rohöl durch die Drehung des inneren Zylinders der koaxialen Zylindergeometrie erreicht, ein sehr langsamer Vorgang. Darüber hinaus wurde in der Literatur die Wirkung der CO ₂ -Lösung auf die Rheologie von Polymerschmelzen berichtet, die die Untersuchung von schwerem Rohöl und CO ₂ -Mischungen beleuchten könnte. Royer et al . Messen die Viskosität von drei handelsüblichen Polymerschmelzen bei verschiedenen Drücken, Temperaturen und CO ₂ -Konzentrationen unter Verwendung eines Hochdruck-Extrusions-Schlitzdüsen-Rheometers ⁶ . Sie analysieren dann die Daten durch das freie volum E Theorie Weitere ähnliche Studien finden sich bei Gerhardt et al . ⁷ und Lee et al . ⁸ Unsere Methode, bei der das Mischen in einem externen Mischer durchgeführt wird, und die Rheologiemessung in einer koaxialen Zylindergeometrie ermöglicht eine gründlichere Messung der Rheologie von CO ₂ und Rohölgemisch.

Das von uns entwickelte Zirkulationssystem enthält vier Einheiten: eine Spritzenpumpe, einen Mischer, eine Zahnradpumpe und ein Rheometer, wie in Abbildung 1 und Abbildung 2 dargestellt. Ein Rührstab ist am Boden des Mischers angeordnet und magnetisch mit einem rotierenden Magnetsatz gekoppelt. Das Rühren wird verwendet, um das Mischen zwischen CO & sub2 _; und Rohöl in dem Mischer zu verbessern, wodurch die Annäherung an das Gleichgewicht zwischen den Phasen beschleunigt wird. Die CO ₂ -gesättigte Ölphase wird mit einem Tauchrohr von nahe dem Boden des Mischers abgezogen und durch das Messsystem zirkuliert.

Die Viskosität wird durch eine auf einem Rheometer angebrachte Hochdruckzelle gemessen. Es gibt zwei Arten von Druckzellen: Einer ist mit einer koaxialen Zylindergeometrie, die für die Messung von viskoser Flüssigkeit ausgelegt ist, und der andere ist mit einem Doppelspaltgeometrie für Anwendungen mit niedriger Viskosität.

Abbildung 1: Das Schema des Kreislaufsystems mit koaxialer Zylindergeometrie-Druckzelle. Die blaue Linie stellt den CO ₂ -Fluss dar, und die schwarze Linie stellt die Rohölgemische dar. Nachdruck mit Genehmigung von Hu et al. ¹⁴ Copyright 2016 Amerikanische Chemische Gesellschaft. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 2: Das Schema des Kreislaufsystems mit Doppelspalt-Geometrie-Druckzelle. Die blaue Linie stellt den CO ₂ -Fluss dar, und die schwarze Linie stellt die Rohölgemische dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 3: Die koaxiale Zylindergeometrie-Druckzelle. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Die Koaxialzylinder-Geometrie-Druckzelle ( Bild 3 ) hat einen Abstand von 0,5 mm zwischen dem inneren und dem äußeren Zylinder, was zu einem Probenvolumen von 18 führtML Der innere Zylinder ist magnetisch mit einem Drehteller gekoppelt, der an der Rheometerspindel befestigt ist. Es gibt zwei Saphirlager an der Oberseite und Unterseite des inneren Zylinders, die direkt mit der Drehachse des inneren Zylinders in Berührung kommen. Da die Saphirlager durch die Konstruktion der Probe ausgesetzt sind, kann die Lagerreibung entsprechend den Schmiereigenschaften der Probe variieren.

Abbildung 4: Die Doppelspalt-Geometrie-Druckzelle. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Andererseits weist die Doppelspalt-Druckzelle einen zylindrischen Rotor in einer Doppelspaltgeometrie auf, wie in Fig. 4 dargestellt ist . Der Messzylinder ist montiertAuf dem Druckkopf durch zwei Kugellager und magnetisch mit dem Drehteller verbunden, der mit der Rheometerspindel verbunden ist. Die Kugellager befinden sich im Inneren des Druckkopfes und nicht in Berührung mit der Probe, die in den Messspalt eingespritzt wird und in eine Ausnehmung im Stator überführt wird, von der sie in den Mischbehälter zurückgeführt wird.

In einem typischen Experiment wird die Rohölprobe zuerst in den Mischer geladen. Nach dem Ansaugen des gesamten Systems mit dem Rohöl wird das verbleibende Volumen im System mit einer Vakuumpumpe evakuiert. Das CO ₂ wird dann durch die Spritzenpumpe in den Mischer eingeführt und das System auf die gewünschte Temperatur und den gewünschten Druck gebracht. Der Systemdruck wird durch die Spritzenpumpe durch die CO ₂ -Phase gesteuert. Wenn der Druck stabilisiert ist, wird der Rührer eingeschaltet, um das CO ₂ und das Rohöl im Mischer zu mischen. Dann wird die Zahnradpumpe eingeschaltet, um die Ölphase aus demMischer, füllen Sie das Rheometer und recyceln Sie die Flüssigkeit zurück zum Mixer. Daher wird das Mischen zwischen CO ₂ und Rohöl durch gleichzeitiges Rühren in dem Mischer und Zirkulieren in der Schleife durchgeführt. Der Gleichgewichtszustand wird durch periodische Messung sowohl des Volumens in der Spritzenpumpe als auch der Gemischviskosität überwacht. Wenn keine Veränderung (≤4%) sowohl im Volumen als auch in der Viskosität vorliegt, wird das Gleichgewicht bestätigt. In diesem Stadium werden die Zahnradpumpe und der Rührer ausgeschaltet, der Durchfluss durch die Messzelle aufgehängt und die Rheologiemessung durchgeführt.

Protocol

Hinweis: Da das Experiment bei hoher Temperatur und hohem Druck arbeitet, ist die Sicherheit von größter Bedeutung. Das System ist gegen Überdruck durch die Softwaregrenze am Spritzenpumpenregler und Berstscheiben am Mischer und zwischen Zahnradpumpe und Rheometer geschützt (siehe Abbildung 1 und Abbildung 2 ). Weiterhin wird vor jedem Experiment empfohlen, eine regelmäßige Dichtheitsprüfung durchzuführen. Es wird auch empfohlen, die Reibungsprüfung der Druckzellengeometrie durchzuführen, um sicherzustellen, dass das Rheometer gut funktioniert 9 , 10 . 1. Vorbereitung der Rohölprobe HINWEIS: Verwenden Sie die Zuata Rohölprobe wie erhalten. Die folgende Tabelle zeigt die grundlegenden physikalischen Eigenschaften des Zuata-Rohöls. ChaRacteristics Wert API Schwerkraft 9.28 Fassfaktor (bbl / t) 6.27 Gesamt-Schwefel (% wt) 3.35 Reid Dampfdruck (kPa) 1 Pour Point (° C) 24 Bestehender H 2 S-Gehalt (ppm) – Potentieller H 2 S-Gehalt (ppm) 115 Potentieller HCl-Gehalt (ppm) – Berechnet. Gross Cal. Wert (kJ / kg) 41,855 Tabelle 1: Die physikalischen Eigenschaften des Zuata-Rohöls. Fügen Sie 128,57 g Toluol zu 300 g Zuata-Rohöl hinzu, um die Verdünnung mit 70 Gew .-% Zuata-Rohöl und 30 Gew .-% Toluol herzustellen. Die Mischung bei Raumtemperatur für 3 h schneiden. 2. Die Rohölprobe in den Mischer einlegen Trennen Sie den Mixer vom System und öffnen Sie ihn. Setzen Sie einen Rührer an der Unterseite des Mischers. 1,5 ml Rohölprobe in den Mischer geben. Nach dem Anziehen aller Schrauben den Mischer wieder an das System anschließen. 3. Grundierung des Gesamtsystems mit der Rohölprobe Prime das System mit der koaxialen Zylinder Geometrie Druckzelle. HINWEIS: Siehe Abbildung 1 , um das Ventil zu lokalisieren. Schließen Sie die Rheometer-Druckzelle durch Anziehen des Druckkopfes 9 . Den Drehteller auf die Rheometerspindel montieren. Stellen Sie es auf die Messposition 9 ein . Schließen Sie die Ventile A, D, E, F, G und H. Öffnen Sie das Ventil C. Öffnen Sie den Stickstoffzylinder. Führen Sie das Druckgas in den Mischer ein, indem Sie die Ventile H und E öffnen. Wenn das Gas den Mischer erreicht, Ventil H und Gasflasche schließen. Öffnen Sie das Ventil A. Das Druckgas drückt die Rohölprobe durch das Saugrohr in die Umlaufschleife. Wenn die Rohölprobe von dem Ventil C in Fig. 1 abtropft, wird das gesamte System durch die Rohölprobe grundiert. Öffnen Sie das Ventil F, um das übrige Gas freizugeben. Ventil C schließen und Ventil II öffnen. Zahnradpumpe drehen, um die Flüssigkeit für eine Weile zu zirkulieren. Abhängig von der Viskosität der Rohölprobe kann dies 1 bis 5 h dauern. HINWEIS: Der Druck des in den Mischer eingeführten komprimierten Stickstoffs hängt von der Viskosität der Rohölprobe ab. Wenn die Viskosität der Rohölprobe über 5 Pa ∙ s liegt, kann der Druck des komprimierten Gases größer als 15 bar sein. Prime das System mit der Doppelspalt Geometrie Druckzelle. HINWEIS: Siehe Abbildung 2 , um das Ventil zu lokalisieren. T entfernenEr Druckkopf und der Messzylinder der Druckzelle. Schließen Sie die Ventile A, D, E, F, G, H und I. Öffnen Sie das Ventil C. Öffnen Sie den Stickstoffzylinder. Führen Sie das Druckgas in den Mischer ein, indem Sie die Ventile H und E öffnen. Wenn das Gas den Mischer erreicht, schließen Sie das Ventil H und die Gasflasche. Öffnen Sie das Ventil A. Das Druckgas drückt die Rohölprobe durch das Saugrohr in die Umlaufschleife. Wenn die Rohölprobe nur den inneren Teil der Doppelspaltgeometrie eintauchen, öffnen Sie das Ventil F, um den Druck im Mischer freizugeben. Die Zahnradpumpe einschalten. Die Drehzahl der Zahnradpumpe vorsichtig einstellen. Achten Sie darauf, dass die Einlassdurchflussmenge der Druckzelle, die durch die Zahnradpumpe bestimmt wird, kleiner oder gleich der Auslassmenge der Druckzelle ist, die durch die Schwerkraft bestimmt wird. Wenn eine vernünftige Drehzahl der Zahnradpumpe gefunden wird und die Rohölprobe vom Ventil C abtropft, wird das gesamte System durch das Öl grundiert. THenne die Zahnradpumpe abschalten. Montieren Sie den Messzylinder und den Druckkopf auf die Druckzelle 10 . Ventil C schließen und Ventil öffnen 1. Zahnradpumpe einschalten, um die Flüssigkeit zu zirkulieren. HINWEIS: Wenn die Rohölprobe eine ähnliche Viskosität aufweist, reicht das Druckgas mit einem Druck von 3 bis 4 bar aus. 4. Evakuierung des verbleibenden Volumens im System Schließen Sie die Ventile A und D in Abbildung 1 oder Abbildung 2 . Vakuumpumpe an Ventil F anschließen. Vakuumpumpe 15 min einschalten. Ventil F schließen und dann die Vakuumpumpe abschalten. 5. Einführung in CO 2 in den Mixer Mit koaxialer Zylindergeometrie Druckzelle Öffnen Sie das Ventil G und den CO 2 -Zylinder in Abbildung 1 . Öffnen Sie das Ventil D in Abbildung 1 . </ Li> Nachdem das CO 2 den verbleibenden Platz im System ausgefüllt hat, schließen Sie das Ventil G und den CO 2 -Zylinder, um zu verhindern, dass CO 2 von hinten in den Zylinder fließt. Mit Doppelspaltgeometrie Druckzelle Öffnen Sie das Ventil G und den CO 2 -Zylinder in Abbildung 2 . Öffnen Sie das Ventil D und I in Abbildung 2 . Nachdem das CO 2 den verbleibenden Platz im System ausgefüllt hat, schließen Sie das Ventil G und den CO 2 -Zylinder, um zu verhindern, dass CO 2 von hinten in den Zylinder fließt. 6. Einstellung der Temperatur und des Drucks Geben Sie den gewünschten Temperaturwert dem Mischer und dem Rheometer ein. Geben Sie den gewünschten Temperaturwert an die Heizungsanlage des Pipeline-Netzes an. Geben Sie den gewünschten Druckwert auf die Spritzenpumpe ein. Warten auf Temperatur und Druck zu stabilisieren. Jove_title "> 7. Die Rühr- und Zahnradpumpe einschalten Öffnen Sie die Ventile stromabwärts und stromaufwärts der Zahnradpumpe. 8. Überwachung des Volumens im Mixer und der Mischviskosität Aufzeichnung der Lautstärke in der Spritzenpumpe für alle 6 Stunden. Nach alle 6 h den Rührer und die Zahnradpumpe abschalten. Messen Sie die Viskosität der Mischung durch das Rheometer. Die Viskositätsmessung beginnt mit einer Einschaltzeit von 5 min und mißt dann die Viskosität bei konstanter Schergeschwindigkeit von 10 s -1 . Wenn die Volumen- und Viskositätswerte zwischen zwei konsequenten Messungen erhebliche Unterschiede (> 4%) aufweisen, schalten Sie die Zahnradpumpe und den Rührer erneut ein, um das Mischen fortzusetzen. Wenn sowohl die Volumen- als auch die Viskositätsmessung keine Änderung der Werte (≤ 4%) zeigen, wird das Gleichgewicht zwischen der CO 2 und der Rohölprobe bestätigt. Schalten Sie die Zahnradpumpe und den Rührer für die Rheologiemessung aus. HINWEIS:Die Mischperiode kann für 1 bis 2 Tage dauern, abhängig von der Viskosität der Rohölprobe. 9. Durchführung der Rheologie-Messung Mit koaxialer Zylindergeometrie Druckzelle 9 Schließen Sie die Ventile A und D in Abbildung 1 für die Rheologiemessung. Vorscherung der Mischung bei einer Schergeschwindigkeit von 10 s -1 für 0,5 min. Rest die Mischung für 1 min. Messen Sie die Viskosität der Mischung bei einer Schergeschwindigkeit von 500 s -1 bis 10 s -1 . Bei jeder Schergeschwindigkeit beträgt die Scherrateneinstellzeit 0,2 min. Die Messdauer bei jedem Scherratenschritt wird logarithmisch von 0,5 min auf 1 min erhöht, mit Ausnahme der Scherrateneinstellzeit. Mit Doppelspaltgeometrie Druckzelle 10 Schließen Sie die Ventile A und D in Abbildung 2 für die Rheologiemessung. VorscherenDie Mischung bei einer Schergeschwindigkeit von 10 s -1 für 0,5 min. Rest die Mischung für 1 min. Messen Sie die Viskosität der Mischung bei einer Schergeschwindigkeit von 250 s -1 bis 10 s -1 . Bei jeder Schergeschwindigkeit beträgt die Scherrateneinstellzeit 0,2 min. Die Messdauer bei jedem Scherratenschritt wird logarithmisch von 0,5 min auf 1 min erhöht, mit Ausnahme der Scherrateneinstellzeit. 10. Erhöhung des Drucks auf den nächsten gewünschten Wert Mit der koaxialen Zylindergeometrie Druckzelle Ventil E in Abbildung 1 schließen . Führen Sie mehr CO 2 in die Spritzenpumpe ein, indem Sie das Ventil G und den CO 2 -Zylinder öffnen. Ventil G und CO 2 Zylinder schließen. Öffnen Sie das Ventil E, um dem Mischer mehr CO 2 hinzuzufügen. Wenn der Druck kleiner als der gewünschte Wert ist, wiederholen Sie, um mehr CO 2 einzuführen. Geben Sie die neue Druckmenge einInt in die Spritzenpumpe. Warten Sie, bis sich der Druck stabilisiert hat. Mit der Doppelspaltgeometrie Druckzelle Schließen Sie die Ventile E und I in Abbildung 2 . Führen Sie mehr CO 2 in die Spritzenpumpe ein, indem Sie das Ventil G und den CO 2 -Zylinder öffnen. Ventil G und CO 2 Zylinder schließen. Öffnen Sie die Ventile E und I, um dem Mischer mehr CO 2 hinzuzufügen. Wenn der Druck kleiner als der gewünschte Wert ist, wiederholen Sie den Schritt, um mehr CO 2 einzuführen. Geben Sie den neuen Drucksollwert in die Spritzenpumpe ein. Warten Sie, bis sich der Druck stabilisiert hat. HINWEIS: Wiederholen Sie die Schritte 7 bis 10 für die Rheologiemessung bei höheren Drücken.

Representative Results

Die Rheologie-Messung des Zuata-Rohöls und seiner CO 2 -gesättigten Mischung bei 50 ° C unter Verwendung der Koaxialzylinder-Geometrie-Druckzelle ist in 5 und 6 gezeigt . Abbildung 5 zeigt die Messung von Umgebungstemperatur auf 100 bar, während Abbildung 6 die Messung von 120 bar bis 220 bar zeigt. Weiterhin veranschaulicht Fig. 7 die relative Viskosität, die das Verhältnis der Viskosität bei einer gegebenen Schergeschwindigkeit zu der Viskosität bei der niedrigsten Schergeschwindigkeit ist. Die gestrichelten Linien in Fig. 7 sind der maximale Meßfehler, der durch die Reibung der Lager der Geometrie verursacht wird. Die Rheologie-Messung bei 50 ° C des verdünnten Zuata-Rohöls unter Verwendung der Doppelspalt-Geometrie-Druckzelle ist iDargestellt durch die Fig. 8 und Fig. 9 , während Fig. 10 die relative Viskosität für den Druck bis zu 70 bar zeigt. Weiterhin zeigt Abbildung 10 , dass sich das verdünnte Rohöl bei Umgebungsdruck wie ein Newtonschen Fluid verhält. Wenn jedoch der CO 2 -Druck von 30 bar bis 60 bar beträgt, wird der Scherverdünnungseffekt beobachtet. Bei CO 2 -Druck über 60 bar verschwindet die Scherverdünnung und die Mischung verhält sich wieder wie eine Newtonsche Flüssigkeit. Aus Fig. 5 und Fig. 6 ist ersichtlich, daß die CO & sub2 ; -Lösung die Viskosität der Rohölmischung bis auf 100 bar deutlich verringert. Wenn der CO 2 -Druck über 100 bar hinausgeht, nimmt die Viskosität des Ölgemisches mit steigendem CO 2 -Druck zu, aber mit einer viel niedrigeren Rate. <pclass > Abbildung 7 zeigt, dass das Zuata-Rohöl eine Scherverdünnung ohne CO 2 -Anhang zeigt. Wenn CO & sub2 ; in das Rohöl gelöst wird, wird die Scherverdünnungseffekt geschwächt, da die Kurven bei höheren CO & sub2 ; -Drücken flacher sind. Bei CO 2 -Drücken von mehr als 40 bar liegt die Viskositätsänderung mit Scherrate innerhalb des Messfehlerbereichs, so dass die Mischung als Newtonscher betrachtet werden kann. CO 2 -Lösung schwächt und eliminiert schließlich die Scherverdünnung des Zuata-Rohöls. Dies deutet darauf hin, dass das in das Rohöl gelöste CO 2 -Molekül schließlich das assoziierende Netzwerk, das durch die Makromoleküle im Rohöl, wie Asphaltene, erzeugt wird, stören kann. Bezüglich des verdünnten Rohöls, wie in Fig. 8 gezeigt , ist die CO & sub2 ; adDosis drastisch reduziert die Ölgemisch-Viskosität auf ein Minimum bei 70 bar. Wenn der CO 2 -Druck über 70 bar hinaus zunimmt (Abbildung 9 ), bewirkt der höhere CO 2 -Druck eine Erhöhung der Ölviskosität. Nach der Studie von Seifried et al . 11 , sowohl im ursprünglichen als auch im verdünnten Zuata-Rohöl, tritt der Beginn der Asphalten-Ausfällung bei CO 2 -Drücken über 80 bar auf. In unserem Rheologie-Experiment, wenn der Druck höher als 80 bar ist, verhält sich das Rohöl / CO 2 -Mischung wie eine Newtonsche Flüssigkeit. Dies impliziert, dass die Asphalten-Ausfällung die rheologischen Eigenschaften dieser Mischung nicht verändert. Die Rheologieergebnisse für das verdünnte Rohöl sind auch interessant: In diesem Fall führt die CO 2 -Lösung zu dem nicht-Newtonschen Verhalten, das nur appOhren in einem bestimmten Bereich von CO 2 -Druck. Hier werden zwei Spekulationen für die durch die CO 2 -Addition induzierte Scherverdüngungseffekt gegeben. Die erste Spekulation ist, dass das nicht-Newtonsche Verhalten durch Micellen verursacht wird, die durch die Asphaltenmoleküle unter CO 2 -Lösung gebildet werden. Das im Rohöl gelöste CO 2 kann die kritische Mizellenkonzentration (CMC) des Systems durch seine Wirkung auf die Struktur von Asphaltenaggregaten reduzieren, was zu einer größeren Wechselwirkung zwischen den Micellen 12 führen kann . Bei Drücken von 30 bis 60 bar kann der Abstand zwischen Asphaltenmicellen innerhalb des wirksamen Bereichs der Van-der-Waals-Anziehungskraft 13 liegen . Somit wird ein assoziierendes Netzwerk zwischen den Micellen gebildet und verursacht den Scherverdünnungseffekt. Wenn jedoch der Druck über 60 bar liegt, ist der CO 2 -Effekt auf das Lösungsmittel oder die Nicht-Asphalten-Moleküle domInating, was dazu führt, dass die CMC erhöht wird. Daher werden die Asphaltenmicellen destabilisiert und folglich verschwindet das assoziierende Netzwerk. Die zweite Spekulation basiert auf dem Phasenverhaltenspunkt. Bei CO 2 -Drücken zwischen 30 und 60 bar kann eine CO 2 -reiche flüssige Phase erzeugt werden, die die Mischung aus einem Flüssig-Flüssig-Dampf-System (LLV) bildet. Eine Emulsion dieser beiden Flüssigkeiten konnte durch das Mischen durch Rühren und Zirkulieren aufgrund der ähnlichen Dichte der beiden flüssigen Phasen gebildet werden. Als dispergierte Phase der Emulsion kann die CO 2 -reiche flüssige Phase durch das Asphalten im Rohöl stabilisiert werden. Diese Emulsion zeigt nicht-Newtonschen Verhalten, weil die dispergierte Phase zu einem assoziierenden Netzwerk führt. Wenn jedoch mehr CO 2 in das Ölgemisch bei einem Druck über 60 bar gelöst wird, werden die beiden flüssigen Phasen wieder mischbar. Das Ergebnis ist ein Flüssig-Dampf-System (LV), bestehend aus einer rohölreichen Flüssigkeit im Gleichgewicht mit einem CO 2 -reichen Dampf und der rohölreichen flüssigen Phase verhält sich wie eine Newtonsche Flüssigkeit. Abbildung 5. Viskositätsmessung für das Zuata-Schweröl mit CO 2 bei 50 ° C und verschiedenen Schergeschwindigkeiten. , Niedrigere Scherratengrenze; , Umgebungs; , 20 bar; , 40 bar; , 60 bar; , 80 bar; Ftp_upload / 55749 / 55749_dGreenDot.jpg "/>, 100 bar Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von Hu et al. 15. Copyright 2016 American Chemical Society Bitte klicken Sie hier um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 6. Viskositätsmessung für das Zuata-Rohöl mit CO 2 bei 50 ° C und verschiedenen Schergeschwindigkeiten. , Niedrigere Scherratengrenze; , 120 bar; 140 bar; , 160 bar;5749 / 55749_orangeDot.jpg "/>, 180 bar; , 200 bar; , 220 bar. Nachdruck mit Genehmigung von Hu et al. 15 Copyright 2016 Amerikanische Chemische Gesellschaft. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 7. Die relative Viskosität für das Zuata-Rohöl mit CO 2 bei 50 ° C und verschiedene Schergeschwindigkeiten. – -, Messschwankungsbereich; , Umgebungsdruck; , 20 bar; <img alt="Gleichung" src = "/ files / ftp_upload / 55749 / 55749_orangeDot.jpg" />, 40 bar; , 60 bar; , 80 bar; 100 bar; , 120 bar; 140 bar; , 160 bar; , 180 bar; , 220 bar. Nachdruck mit Genehmigung von Hu et al. 15 Copyright 2016 Amerikanische Chemische Gesellschaft. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. E_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Abbildung 8. Viskositätsmessung für das verdünnte Rohöl mit CO 2 bei 50 ° C und verschiedene Schergeschwindigkeiten. , Niedrigere Scherratengrenze; , 1 bar; , 10 bar; , 20 bar; , 30 bar; , 40 bar; 50 bar; , 60 bar;D / 55749 / 55749_purpleDiamond.jpg "/>, 70 bar Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 9. Viskositätsmessung für das verdünnte Rohöl mit CO 2 bei 50 ° C und verschiedene Schergeschwindigkeiten. , Niedrigere Scherratengrenze; , 80 bar; 100 bar; , 120 bar; 140 bar; , 160 bar; <img alt="Gleichung" src = "/ files / ftp_upload / 55749 / 55749_lBlueX.jpg" />, 180 bar; , 200 bar; , 220 bar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 10. Die relative Viskosität für das verdünnte Rohöl mit CO 2 bei 50 ° C und verschiedene Schergeschwindigkeiten. – -, Messschwankungsbereich; , 1 bar; , 10 bar; , 20 bar;Tp_upload / 55749 / 55749_lGreenDiamond.jpg "/>, 30 bar; , 40 bar; 50 bar; , 60 bar; , 70 bar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Discussion

In der Operation sind zwei Schritte kritisch. Der erste ist das gesamte System durch die Rohölprobe. Durch das Auffüllen des Systems mit der Rohölprobe kann die Zahnradpumpe durch die Ölprobe gut geschmiert werden, und eventuelle Blockierungen in der Umlaufschleife lassen sich leicht erkennen. Damit kann die Zahnradpumpe vor Beschädigungen gehindert werden. Der zweite kritische Schritt überwacht periodisch die Mischviskosität, um das Gleichgewicht zwischen dem CO ₂ und dem Rohöl zu bestätigen. Angesichts der Tatsache, dass es eine beträchtliche Zeit in Anspruch nimmt, um das Gleichgewicht zwischen CO ₂ und viskosem schwerem Rohöl ¹⁶ zu erreichen, wird die Durchführung der Rheologie-Messung zu früh die Wirkung der CO ₂ -Addition auf die Ölviskosität unterschätzen. Wenn also die gemessene Viskosität einen konstanten Wert (weniger als 4% änderung) erreicht, kann die Mischung im Gleichgewicht mit CO ₂ betrachtet werden.

Das aktuelle Messsystem nurErlaubt die Rheologie-Messung der CO ₂ -gesättigten Mischung. Um untergesättigte Mischungen zu messen, könnte ein vorgeschalteter Behälter in den CO ₂ -Strom eingebracht werden. Das CO ₂ wird zuerst in das vorgeschaltete Gefäß eingeführt und dann von der Quelle isoliert, so daß die Menge an CO ₂ durch das Volumen und den Druck im vorgeschalteten Gefäß gesteuert werden kann. Der Gesamtdruck des Systems würde in diesem Fall durch ein Inertgas wie Helium gesteuert werden. Kariznovi et al . Bietet eine gute Übersicht über die Apparatur zur Messung der physikalischen Eigenschaften von CO ₂ und schwerem Rohölgemisch ¹⁷ . Änderungen können sich auf die Systeme beziehen, die in ihrem Papier überprüft wurden.

Es sollte erwähnt werden, dass das hier beschriebene System die Rheologie von Gas-Flüssig-Gemischen messen kann; Daher ist ihre Anwendung nicht auf Rohöle beschränkt. Zum Beispiel kann es verwendet werden, um den CO ₂ -Effekt auf dem rh zu messenEology of Pickering Emulsionen ¹⁸ ^, ¹⁹ und gasinduzierte Plastifizierung ⁶ . Durch die Einführung der elektrischen Leitfähigkeitsmesseinrichtung in die Rheometer-Druckzelle könnte auch die Wirkung der Gasauflösung auf die schubinduzierte Phaseninversion von Emulsionen ²⁰ ^, ²¹ ^, ²² ^, ²³ untersucht werden.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Autoren würdigen die Finanzierung von der Katar Carbonate und dem Carbon Storage Research Center (QCCSRC), die gemeinsam von Katar Petroleum, Shell und Katar Science and Technology Park angeboten werden. Die Autoren danken Frans van den Berg (Shell Global Solutions, Amsterdam, Niederlande) für die Bereitstellung der Rohölprobe.

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

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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).