Tools for studying hydrate slurry transport in hydrocarbon production lines. Modeller og metoder for å analysere oljeproduksjon med hydrat partikler

Transkript

1 Tools for studying hydrate slurry transport in hydrocarbon production lines Modeller og metoder for å analysere oljeproduksjon med hydrat partikler

2 Momenter i presentasjonen Hva er hydrater? Hva slags problemer oppstår? Hvordan unngår man problemene? Konvensjonelle løsninger og deres ulemper Nye løsninger Hvor kommer prosjektet inn? Modeller Suksess kriterium Rheologi laboratorium Konklusjon

3 Hva er hydrater Hydrater er en snø is-liknende substans Dannes av vann og diverse gasser under passe høyt trykk og lav temperatur Vann og naturgass danner hydrater ved vanlig forekommende trykk og temperaturer i hydrocarbonledninger Godt over frysepunktet for vann Hydrater kan blokkere transportledninger Blokkering må fjernes ved trykkavlastning/tining Fjerning blir vanskelig eller umulig på dypt vann

4 Hvordan unngår man hydrat problemene? For korte rørledninger kan man isolere eller varme opp Dette blir fort komplisert eller kostbart Den mest utbredte løsningen er termodynamiske inhibitorer Glykol eller metanol Kan kreve store kjemikaliemengder etter som felt eldes og vannproduksjonen stiger kostnader! Ekstra tyngde kan redusere produksjonen stoppe den tidligere

5 Nye løsninger på hydrat problemene Lav dose inhibitorer Kinetiske inhibitorer Antiagglomeranter Lar hydrater formes men i form av partikler Forskjellige cold flow forslag Bruker forskjellige mekaniske midler for å lage hydrater som partikler SINTEF resirkulerte hydrater som nukleeringskjerner Exxon nukleeringskjerner i spesial rørreaktor IFE mineralpartikler som nukleeringskjerner pluss vannavstøtende korrosjonsinhibitor på veggen Forskjellige metoder resulterer i en hydrat slurry som skal transporteres

6 Bakgrunn for valg av hydrat strategi Mange miljøer arbeider med hydrat termodynamikk og kinetikk Få arbeider med transport av hydrat partikler rheologi og beslektede emner Vår ekspertise er innen strømning flerfase transport OLGA-koden Gjøre OLGA til et redskap for analyse av strømning med partikler

7 Hydrat slurry strømning Hydrat partikler dispergert i oljen forandrer strømningsegenskapene dvs transportkapasitet reduseres Ved nedstengning vil partiklene synke til bunns kanskje flyte nedoverbakke mot lavpunkter og danne plugger Det siste har vi sett i tidligere forsøk hos IFP i Solaize I en skarp V formet dip dannet det seg plugger som gjorde oppstart umulig Relativ viskositet

8 Viktige spørsmål for modell Hvor lav kan produksjonen være før vi får en uheldig oppsamling av partikler? Hvor bratt kan en rørledning være før hydrat slam siger nedover mot lavpunkt under nedstengning? Hvor lang tid tar det før det eventuelt dannes en plugg i en dalbunn? Hvilket trykk trengs for oppstart? Hypotetisk nedstengning Situasjon slam siger nedover Hypotetisk sluttsituasjon ved nedstengning: plugg i dalbunn

9 Plan for modell før sponsorene kom med sine innspill Masse og momentbalanser for en partikkel komponent for langs rørledningen en-dimensjonalt Beskrive strømning og partikkelakkumulering i hele rørledningen Fra reservoar til mottaksanlegg Terreng effekter Lokal beskrivelse av strømning og partikkel fordeling i rørtverrsnitt Mekanismer som gir partikkel fordeling i rørtverrsnitt Tetthet og effektiv viskositet forandrer seg med posisjon Beregner friksjonsfaktorer og partikkelslipfaktorer for rørledningsmodellen

10 Innspill fra sponsorene Ønsker at alle dispergerte komponenter beskrives Partikkel komponenter: hydrater, sand, voks etc Bobler som blandes inn i væskelagene Oljedråper i vann vanndråper i olje Væskedråper i gass Størrelses fordeling hvordan store partikler akkumuleres små transporteres greit Alle komponentene må kunne influere på rheologi dvs viskositet

11 Struktur av tverrsnitt modell Partikkel fordeling likevekt mellom dispersjons mekanismer og settling Skjærindusert migrasjon dominere der det er mye partikler Turbulent diffusjon dominerer der det er lite partikler Rheologi/viskositets modell kan beregnes når partikkel fordelingen er gitt Deretter kan vi beregne turbulens fordelingen Algebraisk eddy diffusivitetsmodell Til sist kan vi beregne en hastighetsfordeling over tverrsnittet

12 Example of results single continuous phase

13 Eksempel på partikkel akkumulering med varierende produksjonsrater Hvor lave produksjonsrater er mulig og fremdeles ha stabil produksjon? Normalt: akkumulering av væske er problemet Her: også akkumulering av partikler Hvor lenge kan vi holde en lav produksjon før problemene bygger seg opp?

14 Trefase tilfelle en tung partikkel komponent i både olje og vann 1 0,8 Normalized diameter [] 0,6 0,4 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Normalized distributed value [] 0,7 0,8 0,9 1 File: dismodsand1.csp

15 Rørprofil for nedstengningscase gfedcb gfedcb Geometry [m] (BRAN-1) "Representation of geometry" P_M_HydrateInOil [] (BRAN-1) "Specific mass for particle HydrateInOil" 20 1,0E2 8,0E1 15 6,0E1 m 10 4,0E1 2,0E1 0,0E Pipeline length [m] File: test3.ppl

16 Hastighetsprofil under nedstengning

17 Partikkel størrelses fordeling Størrelses fordelingen ble karakterisert ved statistiske momenter 1. ordens moment gir middelverdi 2. ordens moment gir standard avvik 3. ordens moment gir volumfraksjon (også skjevhet) Q n =E(r n ) Momentene transporteres langs rørledningen med en hastighet gitt av tverrsnitt modellen transformert til en moment formulering Vi støter her på en (i prinsippet) uendelig regress: Moment av orden n er avhengig av moment av orden n+2 Måtte velge Q n =(E(r)) n for n>=4

18 Reologi lab Modellene er avhengig av informasjon om rheologi flytegenskaper- for hydrat dispersjonen Det skal finnes 250 navngitte varianter slurry rheologi korrelasjoner Dette reflekterer variasjoner i rheologi med forskjellige fluider, partikkel størrelse osv Dette krever målinger med de aktuelle fluider Vi har bygget opp en rheologi lab for målinger under trykk

19 Rheologi lab

20 Rheologi målinger Resultatene avhenger av hvordan hydrat partiklene lages og hvordan de behandles! Antiagglomeranter kan gi hydrater som lekker og blir klebrige Hydrat partikler som har en våt kjerne og et sårbart skall Viskositeten øker etter som vi arbeider med en slurry Derfor har vi også satset på en prosess som lager tørre hydrater ved å danne dem rundt en nukleeringskjerne

21 Rheologi resultater Resultatene har fremdeles ikke den nøyaktighet og reproduserbarhet som trengs i modellene Vi satser på en bedre forståelse av settling og veggslip fenomener og hvordan disse påvirker målingene ( i FACE-prosjektet) Overføre modellene for partikkel fordeling hastighets fordeling- krefter - til rheometer geometri Tolke rheometer målingene gjennom modellene Detaljert måling av partikkel og hastighetsfordeling i rheometer - PIV Minicelle for mikroskopi

22 Konklusjon Vi har utviklet modeller for transport av hydrat-slam som er i ferd med å bli tatt i bruk av sponsorene Vi fortsetter videreutvikling av modellering av partikkelrheologi-turbulens interaksjonen Vi har kastet oss inn i konkurransen om cold flow prosjekter Vi videreutvikler måleteknikken vår gjennom FACE prosjektet