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

מדידה של ראולוגיה של נפט גולמי שיווי משקל עם CO 2 בתנאים מאגר

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

מוצגת שיטה למדידת ראאולוגיה של נפט גולמי בשיווי משקל עם פחמן דו חמצני בתנאי המאגר.

Abstract

מערכת rheometer למדוד את rheology של נפט גולמי שיווי משקל עם פחמן דו חמצני (CO ₂ ) בטמפרטורות גבוהות ולחצים מתואר. המערכת כוללת Rheometer בלחץ גבוה אשר מחובר לולאה במחזור. Rheometer יש זרימה סיבובית באמצעות תא מדידה עם שתי גיאומטריות חלופיות: גליל קואקסיאלי ופער כפול. לולאה במחזור מכיל מערבל, כדי להביא את המדגם הנפט הגולמי שיווי משקל עם CO ₂ , ואת משאבת הילוך המוביל את התערובת מן המיקסר כדי rheometer ומחזר אותו בחזרה למיקסר. CO ₂ ו נפט גולמי מובאים לשיווי משקל על ידי ערבוב במחזור ואת rheology של תערובת רווי נמדדת על ידי rheometer. המערכת משמשת למדידת המאפיינים הריאולוגיים של הנפט הגולמי זואטה (ודילול הטולואן) בשיווי משקל עם CO ₂ בלחצים גבוהים עד 220 בר וטמפרטורה של 50 ° C. התוצאות מראות שלאCO ₂ בנוסף משנה את Rheology שמן באופן משמעותי, בתחילה הפחתת צמיגות כמו הלחץ CO2 הוא גדל ולאחר מכן להגדיל את צמיגות מעל לחץ הסף. התגובה הלא ניוטונית של הנפט הגולמי נראית גם משתנה עם תוספת של CO ₂ .

Introduction

ברוב הספרות על התכונות הפיסיקליות של CO ₂ ותערובות שמן גולמי, הצמיגות נמדדת באמצעות viscometer, כלומר המדידה מתבצעת בקצב גזירה קבוע או מתח גזירה. במחקרים אלה, נחקרת צמיגות של CO ₂ ותערובת שמן גולמי באופן פשוט: מוקד העניין הוא היחסים בין צמיגות ופרמטרים אחרים, כגון טמפרטורה, לחץ וריכוז CO2. הנחת המפתח שנעשתה במחקרים אלה, אך נדיר לציין במפורש, היא כי תערובת CO ₂ ו נפט גולמי מתנהג כמו נוזל ניוטונית. עם זאת, ידוע כי כמה נפט גולמי, בעיקר כבד גולמי, יכול להראות התנהגות לא ניוטונית בתנאים מסוימים ¹ ^, ² ^, ³ ^, ⁴ . לכן, כדי להבין את האפקט CO ₂ , צמיגות של CO ₂ ו תערובת שמן גולמי יש ללמוד כפונקציה של שיעור הגזירה או מתח.

למיטב ידיעתנו, רק המחקר של Behzadfar et al . מדווח על צמיגות של נפט גולמי כבד עם CO ₂ בנוסף בשיעורי גזירה שונים באמצעות rheometer ⁵ . במדידה על ידי Behzadfar ואח ' , ערבוב בין CO ₂ ו נפט גולמי מושגת על ידי סיבוב של גליל פנימי של גיאומטריה גליל קואקסיאלי, תהליך איטי מאוד. בנוסף, ההשפעה של התמוססות CO ₂ על ראולוגיה של נמס פולימרי דווחה בספרות, אשר יכול לשפוך אור על המחקר של נפט גולמי כבד תערובות CO ₂ . רוייר ואחרים . למדוד את צמיגותם של שלושה פולימרים מסחריים נמס בלחצים שונים, טמפרטורות ריכוזי CO ₂ , באמצעות בלחץ גבוה שחול לחות rheometer ⁶ . לאחר מכן הם מנתחים את הנתונים דרך volum חינם התיאוריה. מחקרים דומים אחרים ניתן למצוא ב Gerhardt et al . ⁷ ו Lee et al . ⁸ . השיטה שלנו, כאשר ערבוב מבוצע במערבב חיצוני המדידה rheology בגיאומטריה גליל קואקסיאלי, מאפשר מדידה יסודית יותר של rheology של CO ₂ ו תערובת שמן גולמי.

מערכת ההפצה שפיתחנו מכילה ארבע יחידות: משאבת מזרק, מיקסר, משאבת הילוכים וראומטר, כפי שמוצג באיור 1 ובאיור 2 . מוט מערבי ממוקם בתחתית המערבל ומצמיד מגנטית עם סט מגנט מסתובב. ערבוב משמש כדי לשפר את ערבוב בין CO ₂ ו נפט גולמי של מיקסר, להאיץ את הגישה שיווי המשקל בין השלבים. השלב רווי שמן CO ₂ הוא נסוג קרוב לתחתית של המיקסר באמצעות צינור לטבול והופץ באמצעות מערכת המדידה.

Nt "> הצמיגות נמדדת על ידי תא בלחץ גבוה המוטבע על ראומטר, ישנם שני סוגים של תאי לחץ, אחד מהם עם גיאומטריה צילינדרית קואקסיאלית, אשר מיועדת למדידת נוזל צמיג, והשנייה עם פער כפול גיאומטריה ליישום צמיגות נמוכה.

איור 1: התוכנית של מערכת השאלה עם צילינדר קואקסיאלי גליל הלחץ בתא. הקו הכחול מייצג זרימת CO2, והשורה השחורה מייצגת את תערובות הנפט הגולמי. הודפס באישור הו ו. ¹⁴ . זכויות יוצרים 2016 האגודה האמריקאית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

E 2 "class =" xfigimg "src =" / files / ftp_upload / 55749 / 55749fig2.jpg "/>
איור 2: סכימה של מערכת מחזור עם פער כפול תא הלחץ הגיאומטריה. הקו הכחול מייצג זרימת CO2, והשורה השחורה מייצגת את תערובות הנפט הגולמי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3: גליל קואקסיאלי גליל הלחץ בתא. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

תא הלחץ גיאומטריה קואקסיאלית ( איור 3 ) יש פער 0.5 מ"מ בין הצילינדר הפנימי והחיצוני, מה שמוביל נפח מדגם של 18מ"ל. הגליל הפנימי הוא מצמידים מגנטית עם כוס סיבוב, אשר מחוברת ציר ציר. ישנם שני מיסבים ספיר בחלק העליון והתחתון של הגליל הפנימי, אשר במגע ישיר עם ציר הסיבוב של הגליל הפנימי. מכיוון שסביעי הספיר חשופים למדגם על פי התכנון, החיכוך הנובע עשוי להשתנות בהתאם לתכונות סיכוך המדגם.

איור 4: פער כפול הגיאומטריה הלחץ בתא. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

מצד שני, תא הלחץ כפול הפער מורכב רוטור גלילי בגיאומטריה פער כפול, כפי שמוצג באיור 4 . גליל המדידה מותקןעל ראש הלחץ באמצעות שני מיסבים הכדור מגנטי בשילוב עם כוס סיבוב, אשר מחובר ציר rheometer. מיסבי הכדור ממוקמים בתוך ראש הלחץ ולא במגע עם המדגם, אשר מוזרק לתוך פער המדידה וגולש לתוך הפסקה ב stator שממנו הוא מוחזר על כלי ערבוב.

בניסוי טיפוסי, מדגם הנפט הגולמי נטען לראשונה לתוך המיקסר. לאחר תחול המערכת כולה עם הנפט הגולמי, נפח הנותר במערכת הוא פונה באמצעות משאבת ואקום. CO ₂ הוא הציג אז לתוך מערבל דרך משאבת מזרק לבין המערכת הביאה את הטמפרטורה הרצויה ולחץ. לחץ המערכת נשלט באמצעות שלב CO ₂ על ידי משאבת מזרק. כאשר הלחץ התייצב, stirrer מופעל על מנת לערבב את CO ₂ ו נפט גולמי בתוך מיקסר. ואז משאבת ההילוכים מופעלת על מנת למשוך את השלב שלבמיקסר, למלא את rheometer ולמחזר את הנוזל בחזרה למיקסר. לכן, ערבוב בין CO ₂ ו נפט גולמי נעשה על ידי ערבוב בו זמנית במיקסר ו במחזור הלולאה. מצב שיווי המשקל מנוטר על ידי מדידות תקופתיות של נפח בנפח המזרק וצמיגות התערובת. כאשר אין שינוי (≤ 4%) הן בנפח והן בצמיגות, איזון המשקל. בשלב זה, משאבת ההילוכים והמערבבים כבויים, משעיית את הזרימה דרך תא המדידה ומדידת הריאולוגיה מבוצעת.

Protocol

הערה: מכיוון שהניסוי פועל בטמפרטורה ובלחץ גבוהים, הבטיחות חשובה ביותר. המערכת מוגנת מפני לחץ יתר על-ידי מגבלת התוכנה על בקר משאבת המזרק ודיסקים מתפוצצים במערבל ובין משאבת ההילוכים והראומטר (ראה איור 1 ואיור 2 ). בנוסף, לפני כל ניסוי, מומלץ לבצע בדיקת דליפה רגילה. מומלץ גם לבצע את הבדיקה חיכוך של הלחץ תא גיאומטריה כדי לוודא את rheometer מתפקדת היטב 9 , 10 . 1. הכנת מדגם נפט גולמי הערה: השתמש Zuata שמן גולמי מדגם כפי שהתקבלו. הטבלה הבאה מציגה את המאפיינים הפיזיקליים הבסיסיים של הנפט הגולמי זואטה. ChaRacteristics ערך כוח המשיכה של ה- API 9.28 חבית פקטור (bbl / t) 6.27 סה"כ גופרית (% wt) 3.35 לחץ אדים ריד (kPa) 1 Pour Point (° C) 24 תוכן H 2 S קיים (ppm) – פוטנציאל H 2 S תוכן (ppm) 115 פוטנציאל HCl תוכן (ppm) – Calc. קל ערך (kJ / kg) 41,855 טבלה 1: התכונות הפיסיות של הנפט הגולמי זואטה. הוסף 128.57 גרם של טולואן עד 300 גרם של נפט גולמי זואטה כדי להכין את הדילול עם 70% wt% נפט גולמי זואטה ו 30% wt טולואן. רוק את התערובת בטמפרטורת החדר למשך 3 שעות. 2. טוען את דגימת נפט גולמי לתוך מיקסר נתק את המערבל מהמערכת ופתח אותו. מניחים סטירר בחלק התחתון של המיקסר. טען 200 מ"ל של מדגם נפט גולמי לתוך המיקסר. לאחר הידוק כל הברגים, חבר את המערבל בחזרה למערכת. 3. התחלת המערכת כולה עם דוגמת נפט גולמי ראש המערכת עם צילינדר קואקסיאלי גליל הלחץ בתא. הערה: נא עיין בתרשים 1 כדי לאתר את השסתום. סגור את תא הלחץ Rheometer ידי הידוק ראש הלחץ 9 . הר את כוס הסיבוב על ציר rheometer. כווננו אותו למצב המדידה. סגור שסתומים A, D, E, F, G, ו H. שסתום פתוח C. פתח את גליל חנקן. הכניסו את הגז הדחוס לתוך המיקסר על ידי פתיחת שסתומים H ו- E. כאשר הגז מגיע למיקסר, שסתום סגור H וגליל הגז. שסתום פתוח א הגז הדחוס ידחוף את דגימת הנפט הגולמי ללולאה במחזור דרך צינור היניקה. כאשר המדגם נפט גולמי נוטף מן שסתום C בתרשים 1 , המערכת כולה הוא דרוך על ידי מדגם הנפט הגולמי. פתח את שסתום F כדי לשחרר את יתרת הגז. סגור את שסתום C ואת שסתום פתוח D. הפעל את משאבת הילוך כדי להפיץ את הנוזל למשך זמן מה. בהתאם צמיגות של מדגם הנפט הגולמי, זה יכול לקחת 1 עד 5 שעות. הערה: הלחץ של חנקן דחוס הציג לתוך מערבל תלוי צמיגות של מדגם הנפט הגולמי. אם הצמיגות של מדגם הנפט הגולמי היא מעל 5 Pa ∙ s, הלחץ של גז דחוס עשוי להיות גדול מ -15 בר. ראש המערכת עם פער כפול תא גיאומטריה פער. הערה: ראה איור 2 כדי לאתר את השסתום. הסר tהוא לוחץ על ראש ועל גליל המדידה של תא הלחץ. סגור את השסתומים A, D, E, F, G, H ו- I. שסתום פתוח C. פתח את גליל חנקן. הכניסו את הגז הדחוס לתוך המיקסר על ידי פתיחת שסתומים H ו- E. כאשר הגז מגיע למערבל, סגור את שסתום H ואת גליל הגז. שסתום פתוח א הגז הדחוס ידחוף את דגימת הנפט הגולמי ללולאה במחזור דרך צינור היניקה. כאשר מדגם הנפט הגולמי רק לטבול את החלק הפנימי של הגיאומטריה פער כפול, פתח שסתום F לשחרר את הלחץ במיקסר. הפעל את משאבת ההילוכים. בזהירות להתאים את מהירות סיבוב משאבת ההילוכים. יש לוודא כי קצב זרימת הכניסה לתא הלחץ, שנקבע על ידי משאבת ההילוכים, נמוך או שווה לשיעור זרימת היציאה מתא הלחץ, הנקבע על ידי כוח הכבידה. כאשר מהירות סבירה סבירה של משאבת הציוד נמצאה ומדגם הנפט הגולמי נוטף מטה מן שסתום C, המערכת כולה הוא דרוך על ידי השמן. Tכבה את משאבת ההילוכים. הרכבה את גליל המדידה ולחץ על הלחץ על תא הלחץ 10 . סגור את שסתום C ו שסתום פתוח .ד הפעל את משאבת ההילוכים כדי להזיז את הנוזל. הערה: אם לדגימת הנפט הגולמי יש צמיגות הדומה למים, הגז הדחוס בלחץ של 3 עד 4 בר מספיק. 4. פינוי הכמות הנותרת במערכת סגור שסתומים A ו- D באיור 1 או איור 2 . חבר את משאבת ואקום כדי שסתום הפעל את המשאבה ואקום במשך 15 דקות. סגור את שסתום F ולאחר מכן כבה את משאבת ואקום. 5. הצגת CO 2 לתוך מיקסר עם גליל קואקסיאלי צילינדר גיאומטריה הלחץ פתח שסתום G ו- CO 2 גליל באיור 1 . פתח שסתום D באיור 1 . </ Li> לאחר CO 2 ממלא את השטח הנותר במערכת, סגור שסתום G ו CO 2 גליל כדי למנוע CO 2 מ בחזרה זורם אל הצילינדר. עם פער כפול תא הלחץ הגיאומטריה פתח שסתום G ו- CO 2 גליל באיור 2 . פתח את שסתום D ואני באיור 2 . לאחר CO 2 ממלא את השטח הנותר במערכת, סגור שסתום G ו CO 2 גליל כדי למנוע CO 2 מ בחזרה זורם אל הצילינדר. 6. הגדרת טמפרטורה ולחץ הזן את ערך הטמפרטורה הרצוי על המיקסר ו Rheometer. הזן את ערך הטמפרטורה הרצוי למערכת החימום של רשת הצינור. הזן את ערך הלחץ הרצוי למשאבת המזרק. המתן עד שהטמפרטורה והלחץ יתייצבו. "7" הפעלת המערבל ומשאבת ההילוכים פתח את שסתומים במורד הזרם במעלה המשאבה הילוך. 8. ניטור נפח במיקסר ו צמיגות תערובת הקלט את הקריאה נפח משאבת מזרק עבור כל 6 שעות. לאחר כל 6 שעות, לכבות את המשאבה ואת משאבת הילוך. מדוד את צמיגות של תערובת דרך rheometer. המדידה צמיגות מתחיל עם 5 דקות זמן ההתיישבות, ולאחר מכן למדוד צמיגות בקצב גזירה קבוע של 10 s -1 . כאשר ערכי עוצמת הקול והצמיגות מראים הבדלים ניכרים (> 4%) בין שתי מדידות עוקבות, הפעילו את משאבת ההילוכים ואת המערב שוב כדי להמשיך את הערבוב. כאשר מדידות נפח ו מדידות צמיגים לא מראים שינוי בערכים (≤ 4%), איזון בין CO2 ו מדגם נפט גולמי הוא אישר. כבה את משאבת ההילוכים ואת stirrer למדידת rheology. הערה:תקופת ערבוב יכול להימשך 1 עד 2 ימים, בהתאם צמיגות של מדגם הנפט הגולמי. 9. ביצוע המדידה Rheology עם גליל קואקסיאלי גליל לחץ גליל 9 סגור שסתומים A ו- D באיור 1 עבור המדידה rheology. מראש גזירה את התערובת בקצב גזירה של 10 s -1 במשך 0.5 דקות. מניחים את התערובת במשך 1 דקות. למדוד את צמיגות תערובת בקצב הגזירה מ -1500 s ל -1 s -1 . בכל שיעור גזירה, שיעור גזירה זמן התאמת הוא 0.2 דקות. משך המדידה בכל שלב גזירה קצב הוא גדל logarithmically מ 0.5 דקות עד 1 דקות, למעט שיעור הגזירה זמן התאמת. עם פער כפול פער הגיאומטריה תא 10 סגור שסתומים A ו- D באיור 2 עבור המדידה rheology. מראש גזירההתערובת בקצב גזירה של 10 s -1 במשך 0.5 דקות. מניחים את התערובת במשך 1 דקות. למדוד את צמיגות תערובת בקצב הגזירה מ -150 s ל -1 s -1 . בכל שיעור גזירה, שיעור גזירה זמן התאמת הוא 0.2 דקות. משך המדידה בכל שלב גזירה קצב הוא גדל logarithmically מ 0.5 דקות עד 1 דקות, למעט שיעור הגזירה זמן התאמת. 10. הגברת הלחץ לערך הרצוי הבא עם גליל קואקסיאלי גליל הנדנדה לחץ סגור שסתום E בתרשים 1 . להכניס יותר CO 2 לתוך משאבת מזרק על ידי פתיחת שסתום G ו CO 2 גליל. סגור שסתום G ו- CO 2 גליל. פתח את שסתום E כדי להוסיף CO 2 יותר למיקסר. אם הלחץ הוא פחות מהערך הרצוי, לחזור להציג יותר CO 2 . קלט את הלחץ החדש set poInt לתוך משאבת המזרק. המתן עד שהלחץ יתייצב. עם פער כפול הגיאומטריה הלחץ בתא סגור את השסתומים E ו- I באיור 2 . להכניס יותר CO 2 לתוך משאבת מזרק על ידי פתיחת שסתום G ו CO 2 גליל. סגור שסתום G ו- CO 2 גליל. שסתומים פתוחים E ו- I כדי להוסיף CO 2 יותר למיקסר. אם הלחץ הוא פחות מהערך הרצוי, חזור על השלב כדי להציג יותר CO 2 . הזן את נקודת הלחץ החדשה לתוך משאבת המזרק. המתן עד שהלחץ יתייצב. הערה: חזור על שלבים 7 עד 10 עבור המדידה rheology בלחצים גבוהים יותר.

Representative Results

המדידה rheology של נפט גולמי זואטה ו CO 2 תערובת רווי, על 50 מעלות צלזיוס באמצעות בתא הלחץ גיאומטריה קואקסיאלי גליל, מוצג באיור 5 איור 6 . איור 5 מציג את המדידה מ הסביבה ל 100 בר, ואילו איור 6 מראה את המדידה מ 120 בר ל 220 בר. יתר על כן, איור 7 ממחיש את הצמיגות היחסית, שהיא היחס בין הצמיגות בקצב גזירה נתון לצמיגות בקצב הגזירה הנמוך ביותר. הקווים המקווקווים בתרשים 7 הם שגיאת המדידה המקסימלית הנגרמת על ידי החיכוך של מסבי הגיאומטריה. המדידה rheology ב 50 מעלות צלזיוס של שמן זואטה מדולל בדילול, באמצעות פער כפול תא הלחץ גיאומטריה, אניLlustrated על ידי איור 8 ו איור 9 , בעוד איור 10 מראה את הצמיגות היחסית ללחץ עד 70 בר. יתר על כן, איור 10 מראה כי שמן גולמי מדולל בלחץ הסביבה מתנהג כמו נוזל ניוטוני. עם זאת, כאשר הלחץ CO 2 הוא מ 30 בר ל 60 בר, אפקט דילול גזירה הוא ציין. בלחץ CO 2 מעל 60 בר, דילול גזירה נעלם התערובת מתנהג כמו נוזל ניוטונית שוב. איור 5 איור 6 ניתן לראות כי פירוק CO 2 מקטין באופן משמעותי את צמיגות של תערובת הנפט הגולמי עד 100 בר. כאשר הלחץ CO 2 הוא מעבר 100 בר, צמיגות תערובת שמן עולה עם הגדלת הלחץ CO 2 , אבל בקצב הרבה יותר נמוך. <pאיור 7 מגלה כי הנפט הגולמי זואטה מראה אפקט דילול גזירה ללא CO 2 בנוסף. כאשר CO 2 הוא מומס לתוך הנפט הגולמי, אפקט דילול גזירה הוא נחלש, בהתחשב בעקומות בלחצים CO2 גבוה יותר הם מחמיאים. ב CO 2 לחצים מעל 40 בר, לשנות את צמיגות עם שיעור גזירה הוא בטווח טעות המדידה, ולכן תערובת יכול להיחשב ניוטונית. CO 2 המסה מחלישה ובסופו של דבר מבטלת את האפקט דליל גזירה של נפט גולמי זואטה. זה מציין כי המולקולה CO 2 מומס לתוך הנפט הגולמי יכול בסופו של דבר לשבש את רשת השיוך שנוצר על ידי מקרומולקולות הנפט הגולמי, כגון asphaltenes. לגבי הנפט הגולמי המדולל כפי שמוצג באיור 8 , מודעת CO 2Dition מפחיתה באופן דרמטי את צמיגות תערובת שמן למינימום ב 70 בר. כאשר לחץ CO2 עולה על 70 בר ( איור 9 ), לחץ CO2 גבוה גורם לעלייה צמיגות השמן. על פי המחקר של Seifried et al . 11 , הן מקורית ומדוללת זואטה נפט גולמי, הופעת משקעים אספלטן מתרחשת ב CO 2 לחצים מעל 80 בר. עם זאת, בניסויים rheology שלנו כאשר הלחץ הוא גבוה מ 80 בר, תערובת נפט גולמי / CO 2 מתנהג כמו נוזל ניוטונית. משמעות הדבר היא כי משקעים אספלטן אינו משנה את המאפיינים rheological של תערובת זו. תוצאות Rheology עבור הנפט הגולמי מדולל גם מעניין: במקרה זה פירוק CO 2 מעורר את ההתנהגות הלא ניוטונית, אשר רק Appהאוזניים בטווח מסוים של לחץ CO2. שתי ספקולציות ניתנים כאן אפקט דילול גזירה המושרה על ידי CO 2 בנוסף. ספקולציה הראשונה היא כי התנהגות לא ניוטונית נגרמת על ידי micelles שנוצרו על ידי מולקולות אספלטן תחת פירוק CO 2 . CO 2 מומס בשמן הגולמי יכול להפחית את הריכוז micell קריטי (CMC) של המערכת על ידי פעולה על המבנה של אספרגטים אספלטן, וזה יכול להוביל אינטראקציה גדולה יותר בין micelles 12 . בלחצים של 30 עד 60 בר, המרחק בין micelles אספלטן עשוי להיות בטווח היעיל של כוח המשיכה ואן der Waals 13 . לכן, רשת השיוך נוצר בין micelles וגורם אפקט דילול גזירה. עם זאת, כאשר הלחץ הוא מעל 60 בר, CO 2 השפעה על הממס או מולקולות שאינן אספלטן הוא domInating, אשר מוביל להגדיל את CMC. לכן, micelles האספלטן הם לערער, וכתוצאה מכך רשת השיוך נעלמת. ספקולציה השני מבוסס על נקודת ההתנהגות שלב. ב CO 2 לחצים בין 30 ל 60 בר, CO2 שלב נוזלי עשיר עשוי להיות שנוצר, מה שהופך את תערובת טופס נוזל נוזלי אדי (LLV) המערכת. תחליב של שני נוזלים אלה יכול להיווצר באמצעות ערבוב על ידי ערבוב ומחזור עקב צפיפות דומה של שני שלבים נוזליים. כמו בשלב מפוזרים של תחליב, בשלב CO2 נוזלי עשיר עשוי להיות מיוצב על ידי האספלטן של הנפט הגולמי. תחליב זה מראה התנהגות לא ניוטונית משום שהשלב המפוזר מעורר רשת מקשרת. עם זאת, כאשר יותר CO 2 הוא מומס לתערובת השמן בלחץ מעל 60 בר, שני שלבים נוזליים להפוך שוב ושוב. התוצאה היא (LV) מערכת של נוזלים עשירים בנפט גולמי בשיווי משקל עם אדי עשיר CO2 ואת השמן הגולמי נוזל עשיר בשלב מתנהג כמו נוזל ניוטונית. איור 5. מדידה צמיגות עבור הנפט הגולמי זואטה כבד עם CO 2 ב 50 מעלות צלזיוס שיעורי גזירה שונים. , מגבלת שיעור הגזירה נמוך; , הסביבה; , 20 בר; , 40 בר; , 60 בר; , 80 בר; Ftp_upload / 55749 / 55749_dGreenDot.jpg "/>, 100 bar. הודפס באישור מ- Hu et al 15. זכויות יוצרים 2016 האגודה האמריקנית לכימיה לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה. איור 6. מדידות צמיגות עבור הנפט הגולמי זואטה כבד עם CO 2 ב 50 מעלות צלזיוס שיעורי גזירה שונים. , מגבלת שיעור הגזירה נמוך; , 120 בר; , 140 בר; , 160 בר;5749 / 55749_orangeDot.jpg "/>, 180 bar; , 200 בר; , 220 בר. הודפס באישור הו ו. 15 . זכויות יוצרים 2016 האגודה האמריקאית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 7. צמיגות יחסית עבור הנפט הגולמי זואטה עם CO 2 ב 50 מעלות צלזיוס שיעורי גזירה שונים. – -, טווח תנודת המדידה; , לחץ סביבתי; , 20 בר; <img alt="משוואה" src = "/ files / ftp_upload / 55749 / 55749_orangeDot.jpg" />, 40 bar; , 60 בר; , 80 בר; , 100 בר; , 120 בר; , 140 בר; , 160 בר; , 180 בר; , 220 בר. הודפס באישור הו ו. 15 . זכויות יוצרים 2016 האגודה האמריקאית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו. E_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> איור 8. מדידת צמיגות עבור הנפט הגולמי מדולל עם CO 2 ב 50 מעלות צלזיוס שיעורי גזירה שונים. , מגבלת שיעור הגזירה נמוך; , 1 בר; , 10 בר; , 20 בר; , 30 בר; , 40 בר; , 50 בר; , 60 בר;D / 55749 / 55749_purpleDiamond.jpg "/>, 70 bar אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 9. מדידת צמיגות עבור הנפט הגולמי מדולל עם CO 2 ב 50 מעלות צלזיוס שיעורי גזירה שונים. , מגבלת שיעור הגזירה נמוך; , 80 בר; , 100 בר; , 120 בר; , 140 בר; , 160 בר; <img alt="משוואה" src = "/ files / ftp_upload / 55749 / 55749_lBlueX.jpg" />, 180 bar; , 200 בר; , 220 בר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 10. צמיגות יחסית עבור הנפט הגולמי מדולל עם CO 2 ב 50 מעלות צלזיוס שיעורי גזירה שונים. – -, טווח תנודת המדידה; , 1 בר; , 10 בר; , 20 בר;Tp_upload / 55749 / 55749_lGreenDiamond.jpg "/>, 30 bar; , 40 בר; , 50 בר; , 60 בר; , 70 בר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

שני צעדים קריטיים במבצע. הראשון הוא תחול את המערכת כולה על ידי מדגם הנפט הגולמי. על ידי מילוי המערכת עם מדגם הנפט הגולמי, משאבת הציוד יכול להיות משומן היטב על ידי מדגם שמן, וכל חסימות בלולאה במחזור ניתן לזהות בקלות. כך משאבת הילוך ניתן למנוע נזק. השלב הקריטי השני הוא מעת לעת ניטור צמיגות תערובת כדי לאשר את שיווי המשקל בין CO ₂ ו נפט גולמי. בהתחשב בכך שזה לוקח כמות ניכרת של זמן כדי להגיע שיווי משקל בין CO ₂ ו שמן צמיג כבד ויסקוס ¹⁶ , ביצוע המדידה rheology מוקדם מדי יהיה לזלזל ההשפעה של CO ₂ בנוסף על צמיגות הנפט. לכן, רק כאשר הצמיגות נמדדת מגיע ערך קבוע (פחות מ 4% שינוי), יכול להיחשב תערובת בשיווי משקל עם CO ₂ .

מערכת המדידה הנוכחית בלבדמאפשר מדידה Rheology של תערובת CO ₂ רווי. כדי למדוד מתחת תערובות רווי, כלי במעלה הזרם יכול להיות הציג את זרם CO ₂ . CO ₂ יהיה הציג את הזרם כלי הראשון ולאחר מכן מבודדים מן המקור, כך כמות CO ₂ יכול להיות נשלט על ידי נפח ולחץ במעלה הזרם. הלחץ הכולל של המערכת במקרה זה יהיה נשלט על ידי גז אינרטי, כגון הליום. קריזנובי ואח ' . מספק סקירה טובה על המנגנון המשמש למדידת המאפיינים הפיזיים של CO ₂ ו כבד תערובת שמן גולמי ¹⁷ . שינויים יכולים להתייחס למערכות שנבדקו בעבודתן.

יש לציין כי המערכת המתוארת כאן יכולה למדוד את rheology של כל תערובות גז נוזלי; ולכן היישום שלה אינו מוגבל שמנים גולמיים. לדוגמה, ניתן להשתמש בו כדי למדוד את ההשפעה CO ₂ על rhEology של תחליבים Pickering ¹⁸ ^, ¹⁹ ו-מיוצר פלסטליזציה גז ⁶ . על ידי החדרת התקן למדידת מוליכות חשמלית לתא הלחץ Rheometer, ההשפעה של פירוק הגז על ההמרה בשלב המושרה גזירה של תחליבים יכול גם למד ²⁰ ^, ²¹ ^, ²² ^, ²³ .

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

המחברים מודים בהוקרה למימון של קרבונט קטאר פחמן אחסון מרכז מחקר (QCCSRC), בתנאי במשותף על ידי קטאר נפט, Shell, וקטור מדע וטכנולוגיה פארק. המחברים מודים Frans van den Berg (Shell פתרונות גלובלי, אמסטרדם, הולנד) על מתן מדגם הנפט הגולמי.

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).