Mineral scaling in natural gas processing – a classical crystallization phenomenon

Abstract

Summary of thesis:

Scaling is the formation of mineral deposits on surfaces. During petroleum production, these crystalline layers can affect surfaces everywhere from the well to production equipment onshore. When the gas hydrate inhibitor ethylene glycol (MEG) is used in production of natural gas, it must be regenerated before reused offshore. The main goal of this doctoral work is to study mineral precipitation and scale formation at conditions relevant for such MEG-loops, by tying together questions from fundamental science with the industrial problems forming the backdrop for this thesis, in order to form a basis for improved system design and operation in the future.

Currently, academic literature offer two different frameworks to explain crystal growth processes. To establish a scientific foundation for a kinetic model describing scale formation, this controversy was addressed, leading to the conclusion that crystals grow according to classical theories where supersaturation is the thermodynamic driving force. For the derivation of scale growth kinetics, it was also necessary to identify which role crystalline particles in the bulk stream have on the formation of a scale layer.

A new continuous setup was developed to study scale formation on both heated and isothermal surfaces and was successful on obtaining scale growth rates of the polymorph aragonite in both water and mixtures of water and ethylene glycol. Through determination of steady-state supersaturation levels, this work also managed to explain how a reported inconsistency on experiences with scale formation in the MEG-loop originates from differences in the water chemistry affecting the crystallization kinetics, despite equal supersaturation levels.

The work concludes with some specific recommendations for managing scale problems in continuous process units based on proper control of supersaturation levels and understanding of basic crystal growth principles.

Norsk sammendrag

Grunnforskning og løsning av industrielle problemer går hånd i hånd når det forskes på krystallisasjon av mineraler knyttet til naturgassproduksjon.

Ved produksjon av naturgass kommer det mineralrikt vann opp fra reservoaret sammen med gassen. Disse mineralene kan danne krystaller og mineralske belegg overalt i rørene mellom reservoaret og prosesseringsfasilitetene på land. Rørene tilsettes også store mengder av kjemikalet monohydratetylengylkol (MEG) for å hindre at islignende plugger av vann og gass skal dannes. På land skilles naturgassen fra og MEG-strømmen må få redusert sitt innhold av vann og mineraler, for så å sendes tilbake offshore. For å kunne forbedre design og drift av slike MEG-sløyfer trengs det mer kunnskap om mineralutfelling og avleiringproblematikk.

Hvordan vokser en krystall? I dag finnes det to ulike forklaringsmodeller i vitenskapelig litteratur. Eksperimenter viste at krystaller vokser i henhold til klassiske krystallvekstteorier. Denne avklaringen var nødvendig for å ha et vitenskapelig fundament for krystallvekstmodellene. Nå kunne det utvikles modeller for krystallvekst, både i væskestrømmer og som avleiringer. Disse ble basert på overmetning, som er den termodynamiske drivkraften i klassisk krystallisasjonsteori. Et nytt kontinuerlig forsøksoppsett som tillot bestemmelse og kontroll over overmetningsnivået ble også utviklet.

Industripartnerne i dette prosjektet kom fra ulike deler av verden og hadde ulike erfaringer med dannelse av avleiringer og krystaller i MEG-looper. Noen steder var det mye beleggdannelse, mens andre steder felte mineralene ut som små krystaller i væskestrømmen. Forskjeller i vannkjemi viste seg å være forklaringen på observasjonene, noe som kom frem ved å bestemme overmetningen ved jevnt drift. Vannkjemien påvirket krystalliseringshastigheten selv om den overmetningen ved start var lik, noe som var et uventet funn.

Arbeidet førte frem til spesifikke anbefalinger for håndtering av avleiringsproblematikk i kontinuerlige prosessenheter. Disse anbefalingene er et resultat av eksperimenter med god overmetningskontroll og den grunnleggende forståelsen av krystallvekstprosesser.