En metod för att mäta rheologin av råolja i jämvikt med koldioxid vid reservoarbetingelser presenteras.
Ett rheometersystem för att mäta reologin av råolja i jämvikt med koldioxid (CO 2 ) vid höga temperaturer och tryck beskrivs. Systemet innefattar en högtryckshometometer som är ansluten till en cirkulationsslinga. Rheometern har en rotationsmätningscell med två alternativa geometrier: koaxialcylinder och dubbelgap. Cirkulationsslingan innehåller en mixer för att bringa råoljeprovet i jämvikt med CO 2 och en växellåda som transporterar blandningen från mixern till reometeret och återanvänder den till mixern. CO 2 och råolja bringas till jämvikt genom omröring och cirkulation och reologin för den mättade blandningen mäts av reometeret. Systemet används för att mäta de reologiska egenskaperna hos Zuata råolja (och dess toluenutspädning) i jämvikt med CO 2 vid förhöjda tryck upp till 220 bar och en temperatur på 50 ° C. Resultaten visar tHatt CO 2 tillsats förändrar oljereologin signifikant, i första hand reducerar viskositeten då CO 2 -trycket ökar och sedan ökar viskositeten över ett tröskeltryck. Det icke-newtoniska svaret hos råoljan ses också att förändras med tillsats av CO2.
I de flesta av litteraturen om de fysikaliska egenskaperna hos CO 2 och råoljeblandningar mäts viskositeten med hjälp av en viskosimeter, vilket innebär att mätningen görs vid en konstant skjuvhastighet eller skjuvspänning. I dessa studier undersöks viskositeten hos CO 2 och råoljeblandningen på ett enkelt sätt: intresset är intresset mellan viskositeten och andra parametrar, såsom temperatur, tryck och CO 2 -koncentration. Det viktigaste antagandet som gjorts i dessa studier, men som sällan nämns uttryckligen, är att CO 2 och råoljeblandningen beter sig som en newtonisk vätska. Det är emellertid välkänt att vissa råoljor, särskilt tunga råoljor, kan visa icke-newtoniskt beteende under vissa förhållanden 1 , 2 , 3 , 4 . För att fullständigt förstå CO 2 -effekten, är viskositeten hos CO 2 </sub> Och råoljeblandningen bör studeras som en funktion av skjuvhastighet eller stress.
Enligt vår kunskap är endast studien av Behzadfar et al . Rapporterar viskositeten hos en tung råolja med CO 2 tillsats vid olika skjuvhastigheter med användning av en rheometer 5 . I mätningen av Behzadfar et al . Uppnås blandningen mellan CO 2 och råolja genom rotation av den inre cylindern av koaxialcylindergeometrin, en mycket långsam process. Dessutom har effekten av CO 2 -upplösningen på reologin av polymermältningar rapporterats i litteraturen, vilket skulle kunna belysa studien av tung råolja och CO 2 -blandningar. Royer et al . Mäta viskositeten hos tre kommersiella polymersmältor vid olika tryck, temperaturer och CO 2 -koncentrationer, med användning av en högtrycksträngsprutningsslitsdjupreometer 6 . De analyserar sedan data genom det fria volymen E teori. Andra liknande studier finns i Gerhardt et al . 7 och Lee et al . 8 . Vår metod, där blandning utförs i en extern mixer och reologimätningen i en koaxial cylindergeometri, möjliggör en mer noggrann mätning av reologin av CO 2 och råoljeblandning.
Cirkulationssystemet som vi utvecklade innehåller fyra enheter: en sprutpump, mixer, växellåda och rheometer, som visas i Figur 1 och Figur 2 . En omrörningsstav placeras i botten av blandaren och magnetiskt kopplad med en roterande magnetuppsättning. Omröring används för att förbättra blandningen mellan CO 2 och råolja i mixern, vilket påskyndar jämviktsmetoden mellan faserna. Den CO2 mättade oljefasen avlägsnas från nära botten av blandaren med användning av ett dopprör och cirkuleras genom mätsystemet.
Nt "> Viskositeten mäts av en högtryckscell monterad på en rheometer. Det finns två typer av tryckceller. Den ena har en koaxialcylindergeometri som är konstruerad för mätning av viskös vätska, och den andra är med en Dubbel gap geometri för applikation med låg viskositet.
Figur 1: Cirkulationssystemets system med tryckcell med koaxial cylindergeometri. Den blå linjen representerar CO2-flöde och den svarta linjen representerar råoljeblandningarna. Reprinted med tillstånd från Hu et al. 14 . Copyright 2016 American Chemical Society. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
E 2 "class =" xfigimg "src =" / filer / ftp_upload / 55749 / 55749fig2.jpg "/>
Figur 2: Systemet för cirkulationssystemet med dubbelgaskometryckcell. Den blå linjen representerar CO2-flöde och den svarta linjen representerar råoljeblandningarna. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Tryckcellen för koaxialcylinder geometri. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Koaxialcylindergeometriens tryckcell ( Figur 3 ) har ett gap på 0,5 mm mellan den inre och yttre cylindern, vilket leder till en provvolym av 18ml. Den inre cylindern är magnetiskt kopplad med en roterande kopp, vilken är fäst vid rheometerns spindel. Det finns två safirlager på toppen och botten av den inre cylindern, som är direkt i kontakt med rotationsaxeln hos den inre cylindern. Eftersom safirlagren utsätts för provet genom konstruktion kan lagerfriktionen variera beroende på provets smörjegenskaper.
Figur 4: Dubbelgap geometriens tryckcell. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Å andra sidan innefattar dubbelgaptryckscellen en cylindrisk rotor i en dubbelgapgeometri, såsom illustreras av figur 4 . Mätcylindern är monteradPå tryckhuvudet genom två kullager och magnetiskt kopplad med rotationskoppen, vilken är ansluten till reometer-spindeln. Kullagerna är belägna inuti tryckhuvudet och inte i kontakt med provet, vilket injiceras i mätgapet och överflödar in i ett urtag i statoren från vilket det returneras till blandningskärlet.
I ett typiskt experiment laddas råoljeprovet först i blandaren. Efter att hela systemet har startats med råoljan evakueras den återstående volymen i systemet med en vakuumpump. CO 2 införs därefter i mixern genom sprutpumpen och systemet bringas till önskad temperatur och tryck. Systemtrycket styrs genom CO 2 -fasen av sprutpumpen. När trycket stabiliserats slås omröraren på för att blanda CO 2 och råolja inuti mixern. Sedan sätts växelpumpen på för att dra ut oljefasen frånMixer, fyll i rheometern och återvinna vätskan tillbaka till mixern. Därför görs blandningen mellan CO2 och råolja genom att samtidigt omröra i blandaren och cirkulera i slingan. Jämviktsstatusen övervakas genom periodisk mätning av både volymen i sprutpumpen och blandningsviskositeten. När det inte finns någon förändring (≤4%) i både volymen och viskositeten bekräftas jämvikten. På detta stadium stängs växelpumpen och omröraren av, suspenderar flödet genom mätcellen och reologimätningen utförs.
Två steg är kritiska i operationen. Den första sätter igång hela systemet med råoljeprovet. Genom att fylla i systemet med råoljeprovet kan växelpumpen smörjas väl av oljeprovet, och eventuella blockeringar i cirkulationsslingan kan lätt identifieras. Därmed kan växelpumpen förhindras från skador. Det andra kritiska steget övervakar regelbundet blandningsviskositeten för att bekräfta jämvikten mellan CO 2 och råolja. Med tanke på att det tar mycket tid att nå jämvikt mellan CO 2 och viskös tung råolja 16 , undersöker effekten av reologimätningen för tidigt effekten av CO 2 -tillägg på oljeviskositeten. Därför kan endast blandningen betraktas i jämvikt med CO 2 först när viskositeten uppmätt når ett konstant värde (mindre än 4% förändring).
Endast det aktuella mätsystemetTillåter reologi-mätningen av den CO2-mättade blandningen. För att mäta undermättade blandningar kan ett uppströms kärl introduceras till CO2-strömmen. CO 2 kommer att introduceras till uppströms kärlet först och sedan isoleras från källan, så att mängden CO 2 kan styras av volymen och trycket i uppströms kärlet. Systemets totala tryck i detta fall skulle styras av en inert gas, såsom helium. Kariznovi et al . Ger en bra recension på apparaten som används för att mäta de fysikaliska egenskaperna hos CO 2 och tung råoljeblandning 17 . Ändringar kan referera till de system som granskades i deras papper.
Det bör nämnas att det system som beskrivs här kan mäta reologin hos eventuella gas-vätskeblandningar; Därför är dess tillämpning inte begränsad till råoljor. Det kan till exempel användas för att mäta CO 2 -effekten på rhEologi av Pickering-emulsioner 18 , 19 och gasinducerad mjukning 6 . Genom att introducera den elektriska ledningsförmätningsanordningen i reometer-tryckcellen kunde effekten av gasupplösning på skjuv-inducerad fasinversion av emulsioner också studeras 20 , 21 , 22 , 23 .
The authors have nothing to disclose.
Författarna erkänner tacksamt finansiering från Qatar Carbonates och Carbon Storage Research Center (QCCSRC), som gemensamt tillhandahålls av Qatar Petroleum, Shell och Qatar Science and Technology Park. Författarna tackar Frans van den Berg (Shell Global Solutions, Amsterdam, Nederländerna) för att ge råoljeprovet.
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 |