Analysis of petroleum oil droplet behavior during a subsea release

Abstract

Under et undervannsutslipp flyter millioner av oljedråper gjennom vannkolonnen og opp mot havoverflaten. Hvordan dråpene oppfører seg når de når overflaten vil avgjøre både oljefilmtykkelsen, emulgeringen og livsløpet til dråpen. Oppførselen til dråpene vil være avgjørende for oljevernberedskap, spesielt når det gjelder opprydding og miljøpåvirkninger av utslippet. Oljen vil mest sannsynlig trenge forskjellige opprydningsmetoder avhengig av om dråpen er størknet eller flytende når den når overflaten. I dag er det mangel på kunnskap rundt dette feltet. Hvordan overflatedråper vil oppføre seg, og da spesielt dråper fra oljer med høyt stivnepunkt, er det ikke mange som har forsket på tidligere. Denne studien tar sikte på å lukke noe av dette kunnskapsgapet ved å se på hvordan dråper med forskjellige stivnepunkt oppfører seg når de når overflaten, med et spesielt fokus på hvordan de størkner.

I denne studien er det blitt brukt både eksperimenter og simuleringer, OSCAR ble brukt til å simulere undervannsutslipp for å finne nøyaktige stigetider for dråpene, mens beregninger med Stokes lov ble brukt for å finne passende dråpestørrelser. Den eksperimentelle delen ble utført ved bruk av Inverted Cone, hvor dråpene ble holdt under vann i en forhåndsbestemt tid, før de ble sluppet opp til overflaten. I det dråpene nådde overflaten ble de filmet for å kunne observere dråpens oppførsel.

Konklusjonen ble at en dråpe med mer enn 10º celsius høyere stivnepunkt enn sjøvannstemperaturen ville være i fastfase når den nådde havoverflaten. Det ble videre konkludert med at en dråpe med mer enn 10º Celsius lavere stivnepunkt enn sjøvannstemperaturen ville bli flytende umiddelbart når den nådde overflaten. Det ble også konkludert med at det er en midtfase hvor dråpene gjennomgår en mer komplisert prosess. Det ble observert dekonstruksjon av dråpene i denne midtfasen, men oppgaven var ikke i stand til å komme til en konklusjon av hva som skjer i dette intervallet.

During a subsea blowout, millions of oil droplets will travel through the water column towards the sea surface. Their behavior upon reaching the surface will affect the optimal procedure to minimize the environmental impact. The droplets' behavior will determine the oil film thickness, emulsification, and persistence. Droplet behavior is necessary for oil spill contingency, especially regarding the clean-up and environmental impacts of the release. Different clean-up responses will be needed depending on whether the droplets breach the sea surface solidified or liquefy. There is a lack of knowledge on how surfacing droplets will behave, especially high pour point oil droplets. This study aims to close some of this knowledge gap by looking into how droplets with different pour points behave upon reaching the surface, especially regarding the solidification process.

Experiments and simulations were used in this study to determine the droplet behavior when reaching the surface. OSCAR was used to simulate subsea blowouts to find accurate rising times of the droplets, while Stokes law calculations were used to find appropriate droplet sizes. The experimental part was done using the Inverted Cone, where the droplets were kept under water for a pre-decided time and filmed upon reaching the water surface.

By using the inverted cone, it was determined that a droplet with more than 10ºC higher pour point than seawater temperature would be solid upon reaching the sea surface. It was further concluded that a droplet with more than 10º centigrade lower pour point than seawater temperature would liquefy immediately upon reaching the surface. It was also concluded that a middle phase exists where the droplets undergo a more complicated process. This thesis was not able to conclude what happens in this interval. However, deconstruction of the droplets was observed in the middle phase.