Stroomzekerheid

Stroomzekerheid omvat een kosteneffectieve benadering om vloeistoffen te produceren en van het reservoir naar een verwerkingsvoorziening te transporteren Tijdens de productie en het transport van aardolie is kennis van de vloeistofeigenschappen en bedrijfsomstandigheden van kritiek belang om de vorming en neerslag van ongewenste vaste stoffen te voorkomen (zoals hydraten, was, asfaltenen en kalk). Bij extreme temperatuur- en drukwaarden is het mogelijk dat methaangashydraten kristalliseren of asfaltenen in de pijplijn bezinken. Als dit niet goed onder controle gehouden wordt, kunnen zoveel hydraatkristallen, asfaltenen of wasdeeltjes neerslaan en agglomereren dat ze de pijplijn verstoppen. Het verwijderen van een blokkering door hydraten of asfaltenen in een onderzeese pijpleiding is erg gevaarlijk en duur.

De uitdagingen rond stroomzekerheid nemen toe als gevolg van de overgang van conventionele oliereserves naar rijpe olievelden.Naarmate olievelden rijper worden, neemt de waterfractie toe. Soms wordt water in rijpe olievelden geïnjecteerd om de oliewinning te verbeteren. Emulsies van water in aardolie zijn een verdere complicatie van de stroomzekerheidsstrategieën. De aanwezigheid van formatie- of injectiewater samen met calciumcarbonaat kan in sommige omstandigheden tot kalkaanslag leiden. Kalkaanslag door calciumcarbonaat kan de pijplijn verstoppen en de productieapparatuur verontreinigen, zodat rijpe olievelden nog minder winstgevend worden. De meeste in de handel verkrijgbare hydraatremmers en dispergeermiddelen worden minder effectief als het wateraandeel toeneemt. Uiteindelijk moet de emulsie worden gescheiden in olie en water. Het scheiden van emulsie met fysieke of chemische methodes kan heel kostbaar zijn, vooral bij zware olie-emulsies die emulsiestabiliserende vaste stoffen bevatten, zoals asfaltenen.

Daarom is het van groot belang om kosteneffectieve stroomzekerheidsstrategieën te onderzoeken en te ontwikkelen om controle te behouden over de vaste stoffen en emulsies en de economische risico’s gedurende de levensduur van een olieveld te minimaliseren.

Multifase-pijplijnstromen worden vaak gekenmerkt door extreme temperatuur- en drukwaarden, waardoor offline bemonstering en analyse moeilijk of onmogelijk is. Offline monsters worden vaak gemanipuleerd door verdunning of dispersie, waardoor de multifase-componenten veranderen. Offline metingen kunnen vaak niet worden toegepast om de processen in realtime te optimaliseren en goede beslissingen te nemen. Dankzij de ontwikkeling van in situ deeltjeskarakteriseringstechnologie zoals ParticleTrack en ParticleView kan het deeltjesfasegedrag snel in situ  worden gemeten, zonder dat daar monsters voor nodig zijn.

Voorbeelden van stroomzekerheidstoepassingen:

• Asfalteen-neerslag
• Vorming van gashydraat
• Emulsiescheiding
• Vormingstemperatuur en kristalmorfologie van was

Asfaltenen zijn complexe mengsels van polyaromatische verbindingen met heteroatomische stoffen zoals stikstof, zuurstof en zwavel, maar ook organometalen zoals ijzer, nikkel en vanadium. Asfaltenen worden doorgaans beschreven als de fractie van onoplosbare aardolie in alkanen (bijv. n-heptaan of n-pentaan) die wel oplosbaar is in aromatische oplosmiddelen (bijv. tolueen of benzeen). Veranderingen in de samenstelling van aardolie, de temperatuur en de drukwaarde kunnen asfaltenen destabiliseren. Een daling van de druk tijdens de productie van aardolie kan bijvoorbeeld leiden tot een ongewenste asfalteen-neerslag en -afzetting in boorputten en reservoirs. Asfalteen-neerslag of -afzetting leidt tot formatieschade, stabiele emulsies die moeilijk te scheiden zijn en een gedeeltelijke of complete verstopping van de pijplijn.

Asfalteen-neerslag hangt van verschillende parameters af, zoals de temperatuur, de druk en de vloeistofsamenstelling. Evenzo is een asfalteenafzetting in een pijplijn afhankelijk van de stroomsnelheid, van de interactie tussen de deeltjes onderling, de interactie tussen de deeltjes en het pijplijnoppervlak, enz. 

Het startpunt en de kinetiek van de asfalteen-neerslag werden onderzocht voor vier soorten aardolie en een 190+ residu. 40 g aardolie werd in een glazen beker gegoten en bij 400 rpm geroerd. ParticleTrack
werd gebruikt om het startpunt, de kinetiek en het eindpunt van de asfalteen-neerslag  te onderzoeken wanneer n-heptaan werd toegevoegd.

• ParticleTrack  bepaalt snel het beginpunt voor verschillende soorten aardolie, zonder dat daar monsters voor nodig zijn.
•  Drie in de handel verkrijgbare additieven (A, B en C) werden aan het D-190+ residu toegevoegd met verschillende ppmV-concentraties.
• ParticleTrack werd gebruik om snel het meest geschikte additief en de juiste concentratie te vinden om asfalteen-neerslag te voorkomen.
• Dankzij het onderzoek naar deze kinetische effecten kunnen wetenschappers de asfalteen-neerslag en -afzetting beter begrijpen en onder controle houden voor aardolie van verschillende bronnen

Referentie: Dufour et al. Energy Fuels, 2009, 23 (3), 1155-1161.

Deze gedetailleerde presentatie van FMC en de Universiteit van Tulsa geeft industrievoorbeelden van de optimalisatie van de stroomzekerheid, separaties, verontreinigingen en residubeheer om de exploratie- en productiekosten van donkere aardolie bij standaard bedrijfstemperatuur- en drukwaarden te reduceren, zonder dat daar bemonstering of monsterverdunning voor nodig is.

Gashydraten zijn ijsachtige kristallijne structuren die worden gevormd door een complexe interactie tussen olie, gas en water bij een hoge druk en een lage temperatuur. De basiskennis over de structurele overgangen, vormingsmechanismen en vormingskinetiek van gashydraten is nog niet volledig.

De natuurlijke omstandigheden die nodig zijn voor de kristallisatie van gashydraat doen zich vaak in de petroleumpijpleidingen voor. Zodra de hydraatdeeltjes zijn genucleëerd, groeien en agglomereren de hydraten. Deze agglomeraten kunnen uiteindelijk groot genoeg worden om de pijplijn te verstoppen. De vorming van de hydraatverstopping heeft een negatieve invloed op de vloeistofstroom en in sommige extreme gevallen kan de pijplijn zelfs helemaal geblokkeerd raken. Vandaar dat de vorming van gashydraten kostbare gevolgen heeft vanwege onderbroken productie via stroombeperkingen of verstoppingen, schade aan de apparatuur en veiligheidsrisico’s voor de medewerkers.

‘Thermodynamic Inhibitors’ (THI) zijn de industriestandaard voor het voorkomen van hydraten, ondanks de hoge kosten, de milieuproblemen en de hoge bedrijfskosten. De minder dure ‘Low Dosage Hydrate Inhibitors’ (LDHI) kunnen als alternatief worden gebruikt om de inductietijd te verlengen of de ophoping van primaire hydraatdeeltjes te voorkomen en een verpompbare slurry te handhaven. Voor de ontwikkeling van nieuwe, kosteneffectieve strategieën voor het onder controle houden van hydraten in plaats van de vorming daarvan te voorkomen, is het van groot belang om een goede kennis te ontwikkelen van hydraatkristallisatie, agglomeratie en afzettingsmechanismen.

Met betrouwbare in situ technieken om de realtime hydraatkristallisatie en -agglomeratie te controleren kunnen operators a) het gebruik van dure THI optimaliseren, b) de betrouwbaarheid van minder dure LDHI evalueren en c) robuuste strategieën ontwikkelen voor het gebruik van zowel THI als KHI.

ParticleView visualiseert duidelijke hydraatagglomeratie in situ zonder LDHI (afbeelding links). Het gebruik van LDHI stabiliseert hydraten tot een goed verspreid mengsel (afbeelding rechts).

Referentie: Duy Nguyen et al. (Samenwerking tussen Nalco en METTLER TOLEDO)

De ParticleTrack- en ParticleView-technologieën met sensoren zijn ideaal voor de karakterisering van methaangashydraten, asfalteendeeltjes, kalkaanslag en olie-emulsies. Meestal zorgen de omstandigheden waardoor hydraatkristallen en asfalteen-neerslag ontstaan (hoge druk)  ervoor dat de bemonstering erg moeilijk is. De deeltjes- en druppelsystemen zijn uitermate gevoelig voor temperatuur- en drukschommelingen. Bovendien vereisen offline technieken dat de monsters worden verdund. Dit kan de druppelgrootte veranderen, de hydraatagglomeratie omkeren en de oplosbaarheid van asfaltenen veranderen. Zelfs als bemonstering mogelijk is, is de meting van verdunde monsters niet representatief voor het eigenlijke systeem en is de verzamelde data erg beperkt. Met FBRM en PVM-sensortechnologieën kan de laborant het hele dynamische deeltjes- en druppelsysteem in aardolie traceren bij een standaard bedrijfstemperatuur- en drukwaarde, zonder bemonstering of monsterverdunning.

Ontzouting is een belangrijke stap voordat aardolie wordt geraffineerd. Tijdens deze stap worden anorganische zouten en verontreinigingen in de aardolie overgedragen naar een waterfase en verwijderd. Slechte prestaties door de ontzouter veroorzaken verontreiniging van de raffinage-apparatuur vanwege de carry-over van vaste stoffen, corrosie van de aardolietank door de vorming van zuren en hogere kosten door de behandeling van het pekelafvalwater door under-carry van de olie.

ParticleTrack  is zeer gevoelig voor enige verandering van het aantal druppels en de druppelgrootte wanneer de roersnelheid wordt gevarieerd. Als harder wordt geroerd, wordt de gemiddelde druppelgrootte kleiner en komen meer kleine druppels voor (< 80 μm).

• De optimale druppelgrootte en verspreiding heeft een directe invloed op de overdracht van verontreinigingen naar de waterfase tijdens de mengfase en de olie/waterscheiding in de voorraadtanks.
• ParticleTrack identificeert onmiddellijk kritieke procesparameters (bijv. mengen, spoelwaterstroom) en maakt de regeling van procesparameters mogelijk om de extractie van verontreinigingen te maximaliseren en de separatietijd te minimaliseren.

ParticleView-afbeeldingen met hoge resolutie bevestigen de transformatie van grote druppels bij 500 rpm tot kleinere druppels bij 200 rpm.

ParticleTrack regelt de distributie van de koordelengte bij elke roersnelheid, zodat de druppelverdeling kan worden gewijzigd om de prestaties van de ontzouter te verbeteren.

De informatie die wordt verkregen van de ParticleTrack- en ParticleView-procestools reduceert de carry-over van vaste stoffen en de under-carry van olie, optimaliseert het gebruik van chemische additieven, versnelt de werking van de ontzouter en voorkomt daardoor kostbare problemen met de ontzouter, zoals corrosie en verontreiniging.

De demulgator voor de scheiding van olie en water wordt vaak beoordeeld met een flestest.  Dit is een visuele techniek die geen rekening houdt met de druppelgrootte of emulsiekenmerken. In dit onderzoek werden ParticleTrack- en ParticleView-sensoren gebruikt om het effect van de demulgator te controleren op een 30 % olie (API ~30) + 70 % pekelmengsel.

a. t = 15 m: zonder demulgator tonen de realtime ParticleView-afbeeldingen dat de emulsie stabiel blijft gedurende de experimentduur van 15 minuten. De ParticleView-sensor biedt een snelle visuele bevestiging van de stabiliteit of instabiliteit van de emulsie.

b. t = 0 m: met een demulgator worden aanvankelijke grotere druppels geobserveerd. De druppels worden in situ in hun natuurlijke omgeving gezien, zonder dat door bemonstering de fysieke integriteit van de druppels wordt veranderd.

c. t = 3 m: na verloop van tijd voegen kleinere druppels zich samen en ondergaan een morfologische verandering. Zo worden grotere druppels gevormd. ParticleView traceert de druppelevolutie in realtime en biedt belangrijke informatie over de druppeldynamiek en -transformatie wanneer een demulgator aanwezig is.

d. t = 6 m: tot slot scheiden de grote druppels, zodat kleine oliedruppels in pekel achterblijven. In situ ParticleView-afbeeldingen kunnen worden gebruikt om snel de laagwaardigheid van de olie- en waterfase na de scheiding te beoordelen.

ParticleTrack-distributies kwantificeren de wijzigingen van de druppels wanneer een demulgator aanwezig is. De druppelgrootte heeft een directe invloed op het scheidingsproces van olie en water. De kwantificatie van de druppelgrootte maakt een snelle screening/ontwerp van effectieve demulgatoren mogelijk.

• Een beter begrip van het effect van een demulgator voor de scheiding van olie en water is van groot belang om de kosten van het vervoer en de raffinage van petroleum te verlagen.
• Inline controle is een directe manier om de processen te volgen door de wijzigingen van de emulsie nauwkeurig te traceren en een optimale demulgator te ontwikkelen voor een snellere en eenvoudigere scheiding van olie en water.

Referentie: Duy Nguyen et al. (Samenwerking tussen Nalco en METTLER TOLEDO)

ParticleView en ParticleTrack zijn door toonaangevende bedrijven en onderzoeksgroepen gebruikt voor de stroomzekerheid tijdens de productie van olie en gas. Ideaal naslagwerk voor dit onderwerp:

Gas Hydrate Formation

Aline Melchuna, Ana Cameirão, Yamina Ouabbas, Jean-Michel Herri, Philippe Glenat. Transport of hydrate slurry at high water cut. The 8th International Conference on Gas Hydrates, Jul 2014, Pékin, China. pp.T5-16, 2014.

Greaves  D,  Boxall  J,  Mullingan  J,  Sloan  ED, Koh  CA.   Hydrate  Formation  from  High  Water Content-Crude Oil  Emulsions .  Chemical Engineering Science, vol. 63. 2008. p. 4570-4579.

Turner D,  Miller K, & Sloan E. Direct conversion of water droplets to methane hydrate in crude oil. Chemical Engineering Science, 2009 vol: 64 (23) pp: 5066-5072. 10.1016/j.ces.2009.08.013

Asphaltenes

Marugán J,  Calles J,  Dufour J,  Giménez-Aguirre R,  Peña J, &  Merino-García D. Characterization of the Asphaltene Onset Region by Focused-Beam Laser Reflectance: A Tool for Additives Screening. Energy & Fuels. 2009 vol: 23 (3) pp: 1155-1161. 10.1021/ef800626a.

Ruidiaz EM, Koroishi ET, Kim NR, Trevisan OV, Soares-Bassani G & Merino-Garcia D. Evaluation of Asphaltene Deposition - A Systematic Study and Validation of Online Focused Beam Reflectance Measurement FBRM® at Reservoir Conditions. J Pet Environ Biotechnol 2018, Vol 9(2): 364.  DOI: 10.4172/2157-7463.1000364

Javier Dufour, José A. Calles, Javier Marugán, Raúl Giménez-Aguirre, José Luis Peñaand Daniel Merino-García. Influence of Hydrocarbon Distribution in Crude Oil and Residues on Asphaltene Stability. Energy Fuels, 2010, 24 (4), pp 2281–2286. DOI: 10.1021/ef900934t.

Oil-Water Emulsions

Boxall J,  Koh C,  Sloan E,  Sum A,  Wu D. Measurement and Calibration of Droplet Size Distributions in Water-in-Oil Emulsions by Particle Video Microscope and a Focused Beam Reflectance Method. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2010 vol: 49 (3) pp: 1412-1418. DOI10.1021/ie901228e.

Less S, &  Vilagines R. Light beam reflectance measurement of droplets diameter distribution in crude oil emulsions, Fuel, 2013 vol: 109 pp: 542-550. DOI10.1016/j.fuel.2013.03.048.

Wang W,  Li K,  Wang P,  Hao S,  Gong J. Effect of interfacial dilational rheology on the breakage of dispersed droplets in a dilute oil–water emulsion. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2014 vol: 441 pp: 43-50. DOI10.1016/j.colsurfa.2013.08.075.

Scale

N. Al Nasser, Waleed & Pitt, Kate & J. Hounslow, Michael & D. Salman, Agba. (2013). Monitoring of aggregation and scaling of calcium carbonate in the presence of ultrasound irradiation using focused beam reflectance measurement. Powder Technology. 238. 151–160. 10.1016/j.powtec.2012.03.021.

N. Al Nasser, Al Salhi F. Scaling and aggregation kinetics determination of calcium carbonate using inline technique. Chemical Engineering Science, 2013 vol: 86 pp: 70-77. 10.1016/j.ces.2012.05.018

Rosário, F.F.,MONTALVÃO, V.T.K., PEREIRA, M.L.O., &  J. F. CAJAIBA DA SILVA (2012) Kinetic Study of Calcium Carbonate Precipitation by Using Real Time FTIR and FBRM Analyses. 13th International Conference on Petroleum Phase Behavior and Fouling, Saint Petersburg, Florida.