유동 안정성 (Flow Assurance)

유동 안정성(Flow Assurance)은 저장소에서 가공 시설까지 액체를 생산 및 운송하기 위한 비용 효과적인 접근법을 다룹니다. 원유 생산 및 운송 중, 원치 않는 고체(예: 수화물, 왁스, 아스팔텐 및 스케일 등)의 형성 및 침전을 예방하기 위해서는 액체 특성 및 운영 조건에 대한 지식이 중요합니다. 예를 들면, 극한의 온도 및 압력에서, 메탄 가스 수화물이 결정화되거나 아스팔텐이 파이프라인에 침전할 수 있습니다. 적절히 제어하지 않으면, 수화물 결정, 아스팔텐 또는 왁스 입자가 파이프라인의 플러그 포인트에 침전되어 막을 수 있습니다. 해저 파이프라인에서 수화물 또는 아스팔텐 플러그를 제거하는 것은 고비용이 들고 위험할 수 있습니다.

기존 오일 저장소에서 노후화된 유전까지 이동 과정으로 인해 유동 안정성 문제가 추가적으로 증가하고 있습니다. 유전이 노후화되면서 물 분획이 증가합니다. 일부 경우, 사용자는 오일 회수를 늘리기 위해 노후화된 유전에 물을 주입합니다. 물이 포함된 유탁액은 유동 안정성 확보 전략을 추가적으로 복잡하게 만듭니다. 특정 상황에서 지층수 또는 탄산칼슘이 든 주입수가 사용되면 스케일링이 있을 수 있습니다. 탄산칼슘 스케일이 파이프라인과 불결한 생산 장비를 막아 노후화된 유전의 수익성을 떨어뜨릴 수 있습니다. 시판되는 대부분의 덩어리 형성 방지 수화물 억제제는 워터 컷이 증가하면서 비효율적이 되고 있습니다. 결국 오일과 물을 분리하기 위해 에멀전 형성을 파괴해야 합니다. 특히 아스팔텐과 같이 에멀전 안정화 고체를 포함하는 중유 에멀전과 관련해 물리적 또는 화학적 방법을 통한 에멀전 파괴 비용은 엄청날 수 있습니다.

그러므로 유전 수명과 관련해 경제적 위험을 최소화하고자 고체 및 에멀전을 제어하기 위해 비용 효과적인 유동 안정성 확보 전략을 연구 및 개발하는 것이 중요합니다.

다중 위상 파이프라인 흐름은 종종 고온 및 고압에서 발생하여 오프라인 샘플링 및 분석이 어렵거나 불가능합니다. 오프라인 샘플은 종종 희석이나 분산을 통해 조작되므로 다중 위상 요소가 바뀔 수 있습니다. 오프라인 측정은 실시간 프로세스 최적화 및 제어 결정을 내리는 데 적용될 수 없는 경우가 종종 있습니다. ParticleTrack 및 ParticleView과 같은 현장 입자 특성화 기술의 등장으로 샘플을 수집하지 않고 현장 에서 입자상 거동을 신속히 측정할 수 있습니다.

유동 안정성 어플리케이션에는 다음이 포함됩니다.

• 아스팔텐 침전
• 가스 수화물 형성
• 에멀전 분리
• 담점 및 왁스 결정 형태

아스팔텐은 철, 니켈 및 바나듐과 같은 유기 금속과 함께 질소, 수소 및 유황 등의 이원자 종이 포함된 다중 핵 방향족 화합물입니다. 아스팔텐은 알켄(예: n-헵탄 또는 n-펜탄)에 불용성이나 방향족 용매(톨루엔 또는 벤젠)에서 용해성을 가지는 원유의 일부를 말합니다. 원유 구조, 압력 및 온도 조건의 변화는 아스팔텐을 불안정화시킬 수 있습니다. 예를 들어, 원유 생산 중 압력 감소로 원치 않는 아스팔텐 침전과 유정 및 저장소 내 침전이 발생할 수 있습니다. 아스팔텐 침전은 형성물 손상, 분리가 어려운 안정적인 에멀전 및 파이프라인의 부분/전체 플러깅을 발생시킵니다.

아스팔텐 침전은 온도, 압력 및 액체 구조 등 여러 파라미터에 좌우됩니다. 이와 마찬가지로, 파이프라인 내 아스팔텐 침전은 유속, 입자 간 상호작용, 입자 및 파이프 표면 간 상호작용 등에 좌우될 수 있습니다. 

원유 4개와 190가지 이상의 잔유물에 대해 시작 비율과 아스팔텐 침전 역학을 연구합니다. 40 g의 원유를 유리 비커에 놓고 400 rpm으로 교반합니다. ParticleTrack은 n-헵탄이 첨가됨에 따른 아스팔텐 침전의 시작, 역학  및 종말점을 연구하기 위해 사용되었습니다.

• ParticleTrack 은 샘플링 없이 여러 원유에 대한 시작 비율을 빠르게 결정합니다
•  시판되는 세 개의 첨가제(A, B, 및 C)가 여러 ppmV 농도를 가지는 D-190 이상의 잔유물에 첨가되었습니다
• ParticleTrack은 가장 적절한 첨가제 유형과 농도를 신속히 파악하여 아스팔텐 침전을 막았습니다.
• 과학자들은 역학 효과를 연구하여 다양한 출처에서 구한 원유의 아스팔텐 침전을 이해 및 제어할 수 있습니다.

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

FMC 및 털사 대학을 통해 제시된 이 심도 있는 프리젠테이션은 샘플링 또는 샘플 희석 없이 표준 작동 온도 및 압력에서 다크 원유에 대한 탐사 및 생산 비용을 줄이기 위해 유동 안정성, 분리, 오염 및 폐수물질 관리 최적화와 관련한 업계 예시를 다룹니다.

가스 수화물은 고압 및 저온에서 오일, 가스 및 물 간 복잡한 상호작용을 통해 형성된 얼음 같은 결정 구조입니다. 가스 수화물과 관련해 구조 전이, 형성 메커니즘 및 형성 역학에 대한 근본적인 지식은 아직까지 불명확합니다.

가스 수화물 결정에 필요한 자연적인 조건은 석유 파이프라인에서 종종 발생합니다. 수화물 입자가 핵형성된 후 수화물 성장 및 응집이 발생합니다. 이러한 응집물은 결국 커져 파이프라인에서 수화물 플러그를 생성합니다. 수화물 플러그 형성은 액체 흐름에 악영향을 끼치며 일부 심각한 경우 파이프라인 전체를 막기도 합니다. 이런 이유로, 가스 수화물 형성은 흐름 제한 또는 플러깅, 장비 손상 및 사용자에 대한 안전 위험을 통해 생산을 방해하여 값비싼 비용을 치르게 합니다.

열역학 억제제(THI)는 고비용, 환경 문제 및 높은 작동율에도 불구하고 수화물 예방에 있어 업계 표준입니다. 또한 비용이 저렴한 LDHI("Low Dosage Hydrate Inhibitors")는 유도 시간을 연장하거나 주요 수화물 입자 응집을 예방하고 이동 가능한 슬러리를 유지할 수 있습니다. 전체 예방보다 수화물을 관리함에 있어 새로운 비용 효과적인 전략을 개발하기 위해 수화물 결정, 응집 및 침전 메커니즘에 대해 철저히 이해하는 것이 중요합니다.

신뢰할 수 있는 현장 기술을 사용해 실시간으로 수화물 결정 및 응집을 모니터링함으로써 사용자는 i) 값비싼 THI 사용 최적화, ii) 저렴한 LDHI의 신뢰성 평가, iii) THI 및 KHI 모두를 활용하는 탄탄한 전략을 개발할 수 있습니다.

ParticleView는 LDHI(왼쪽 이미지) 없이 현장에서 수화물 응집을 대폭 시각화합니다. LDHI를 사용하면 수화물이 잘 분산된 혼합물(오른쪽 이미지)로 안정화됩니다.

참조 문서: Duy Nguyen et. al. (Nalco and METTLER TOLEDO collaboration)

프로브 기반 ParticleTrack 및 ParticleView 기술은 메탄 가스 수화물, 아스팔텐 입자, 스케일 및 오일 에멀전을 특성화하는 데 이상적입니다. 대부분, 수화물 결정이 형성되고 아스팔텐 침전이 발생하는 조건(고압)은 샘플링하기 매우 어렵습니다. 입자 및 결정 시스템은 온도와 압력 변화에 매우 민감합니다. 또한, 오프라인 기법에서는 샘플이 희석되어 액적 크기를 바꾸고 수화물 응집 및 아스팔텐 용해도를 반전시킬 수 있어야 합니다. 샘플링이 가능한 조건에서도 희석된 샘플의 측정은 실제로 확인이 불가능하기 때문에 매우 제한된 자료만을 제공합니다. 연구원은 FBRM 및 PVM 프로브 기술을 이용하여 표준 온도 및 압력하의 원유에서 샘플링 또는 샘플 희석 없이 전체 실시간 입자 및 결정 시스템을 추적할 수 있습니다.

탈염은 원유에 포함된 무기염과 이물질을 수용액으로 만들어 제거하는 원유 정제 전의  중요한 단계입니다. 잘못된 탈염 작업은 고형 캐리오버로 인한 정유시설 오염, 산성 작용으로 인한 원유 타워 부식 그리고 오일 언더캐리로 인한 높은 염기 폐수 처리 비용으로 이어질 수 있습니다.

ParticleTrack 은 교란 증가가 작은 액적(<80 μm)의 평균 감소와 개수 증가로 이어질 때 액적 개수와 크기 변화에 매우 민감합니다.

• 최적의 액적 크기 및 모집단은 고정 탱크에서 혼합 단계 및 오일-물 분리 중 수용액에 대한 오염물 전달에 직접 영향을 끼칩니다.
• ParticleTrack 추세는 중요한 프로세스 파라미터(예: 혼합, 물 흐름 헹굼)를 즉시 식별하고 프로세스 파라미터를 제어하여 오염물 추출을 극대화하고 분리 시간을 최소화할 수 있습니다.

고분해능의 ParticleView 이미지는 500 rpm의 속도에서 대형 액적의 변형을 확인하고 200 rpm의 속도에서 소형 액적의 변형을 확인합니다.

각 교반 속도에 대한 ParticleTrack 현 길이 분포로 대상 액적 분포 작업을 통해 탈염 성능을 개선할 수 있습니다.

ParticleTrack 및 ParticleView 프로세스 기기는 고형 캐리오버/오일 언더캐리를 줄이고, 화학 첨가제 사용을 최적화하며, 탈염 작용을 가속화하여 차후에 부식과 오염 등의 값비싼 탈염 관련 문제를 방지하는 데 도움을 줍니다.

오일-물 분리용 항유화제는 병 테스트를 이용해 종종 평가되며,  액적 크기 및 에멀전 특성을 가리는 시각적인 기법입니다. 이 연구에서, ParticleTrack 및 ParticleView 프로브를 사용해 30 % 오일(API ~30) + 70 % 식염수 혼합물에 대한 항유화제의 효과를 모니터링했습니다.

a. t= 15 m: 항유화제가 없을 경우 실시간 ParticleView 이미지는 15분의 실험 시간 동안 안정적인 상태의 에멀전을 나타냅니다. ParticleView 프로브는 에멀전 안정성/불안정성을 시각적으로 빠르게 확인하도록 돕습니다.

b. t= 0 m: 항유화제가 없을 경우 초기의 대형 액적을 관찰합니다. 액적은 샘플링을 통해 액적의 물리적인 무결성에 영향을 미치지 않고 자연 환경에서 그대로 나타납니다.

c. t= 3 m 시간이 경과하면서 소형 액적이 유착되고 형태 재배열을 거쳐 대형 액적이 됩니다. ParticleView는 실시간으로 액적 발생을 추적하며 항유화제가 있을 시 변형 및 액적 역학에 대한 핵심 정보를 제공합니다.

d. t = 6 m 마지막으로 대형 액적이 분리되어 식염수에 소형 오일 액적이 남게 됩니다. 분리 후 현장 ParticleView 이미지를 사용해 오일 및 수용액의 린 상태를 빠르게 평가할 수 있습니다.

ParticleTrack 분포를 통해 항유화제가 있을 시 액적 변화를 정량화합니다. 액적 크기는 오일-물 분리 프로세스에 직접적인 영향을 미치며 액적 크기 정량화를 통해 항유화제를 빠르고 효과적으로 선별/설계할 수 있습니다

• 석유 운송 및 정제 시 비용 절약을 위해 오일 물 분리와 관련한 항유화제의 효과를 이해하는 것이 중요합니다.
• 인라인 모니터링은 에멀전 내 변화를 정밀하게 추적하고 최적의 항유화제를 만들어 보다 빠르고 쉬운 오일-물 분리를 달성할 수 있도록 프로세스를 모니터링하는 직접적인 방법을 제공합니다

참조 문서: Duy Nguyen et. al. (Nalco and METTLER TOLEDO collaboration)

ParticleView 및 ParticleTrack은 업계 최고의 기업 및 연구 그룹에서 오일 및 가스 생산의 흐름 확인에 사용되었습니다. 아래 참조 문서를 확인하십시오.

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.

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Asphaltenes

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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

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Oil-Water Emulsions

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Scale

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