Advanced Measurement Technique for Dispersion Stability Characterization

Abstract

For å oppnå optimal kostnadseffektivitet i oljeproduksjon, er det viktig å ta hensyn til trykkfall i transportrørledninger. Dette er igjen direkte påvirket av reologisk oppførsel med hensyn til emulsjonsstabilitet og dråpespredning. Dermed er en dynamisk separasjonsforutsigelsesmodell i utviklingsfasen, som en del av prosjektet NexFlow. For å kalibrere en slik modell og få ytterligere kunnskap om dråpespredningsstabilitet, ble e datasett med dråpespredning, under et bredt utvalg av parametere samlet. En Stirred tank ble brukt til å samle data for dreiemoment og dråpespredning i en emulsjon for varierende impellerhastigheter, impellertyper og vannfraksjon. Målingene ble samlet med en dreiemomentsensor og en PVM-sonde, som deretter ble behandlet i en MatLab programvare. Målet var å lage et pålitelig datasett som representerer faktiske forhold for å forbedre strømningssikring i rørledninger. I tillegg implementere et nytt mål for oppsettet i form av en grensesnittmåleenhet, også kjent som en flottør. Denne gransesnittmåleenheten var basert på en magnetisk lineær posisjonssensor og en flottør med en spesifikk tetthet for å flyte ved ønsket lag i emulsjonen. Et utvalg flottører ble laget og testet i vann og modellolje i liten skala for å oppnå et fungerende konsept. Både basert på 3D-print og et solid plastrør av polyeten. Den endelige iterasjonen av flottør ble testet ved et valgt impellerhastighetsmønster ved 0,2 vannfraksjon for å sikre at det oppførte seg som forventet. For NexFlow-delen av oppgaven ble et sett på 30 individuelle tester fullført og behandlet. Vannfraksjonen for testene varierte fra 0,01 til 0,99 og impellerbladvinkler ved 30 °, 45 ° og 90 °. Oljer som ble testet var en blanding av Exxol D60 og Primol 352. Impellerhastighetsmønster med gradvis økende RPM ble valgt for å samle representative data. Resultatene for testing av flottøren viste som forventet en økning i flottørposisjon etter hvert som emulgering skjedde og avsettes etter hvert som emulsjonen separerte. Med en ekstra test utført, ble et problem med de høye strømmene i det turbulente systemet tydelig. Dette påvirket flottøren og måling av sanntids separasjon for impellerhastigheter over 400 RPM ikke ville gi pålitelige data. For å få bukt med dette problemet, vil en foreslått løsning være implementeringen av en brønn for å motvirke strømmen. Når det gjelder NexFlow, ble et utvalg av testene plottet og vurdert. En tydelig forskjell mellom de særegne vinklene på impelleren var observerbar. Generelt ga 30 ° og 45 ° impellere lavere målinger av dreiemoment på grunn av angrepsvinkelen og det genererte strømningsmønsteret. Når man ser på dråpefordelingen, var det høye svingninger som var synlige ved lave impellerhastigheter. For impellerhastigheter over 2000 RPM stabiliserte Dsmd seg ved tilsvarende størrelse uavhengig av impellerbladvinkel og vannfraksjon.

The objective with this work was to gather a dataset for calibration of a separation prediction model and implementation of an interface measurement device. For optimal cost efficiency in oil production, accounting for pressure drop in transport pipelines is crucial. This is again directly impacted by rheological behavior regards to emulsion stability and droplet dispersion. Thereby, a dynamic separation prediction model is in the making, and is a part of the project NexFlow. To calibrate such a model and gain further knowledge regarding droplet dispersion stability, a dataset mapping droplet dispersion under a wide variety of parameters was gathered. A stirred setup was used to gather data for torque and droplet distribution in an emulsion for differencing impeller speeds, impeller types and WC (water cut). Measurements was achieved by a torque sensor and a PVM-probe (Particle Video Microscope) then processed in a MatLab droplet detection software. The goal was to create a reliable dataset representative of actual conditions to enhance flow assurance in pipelines. Additionally, implement a new measure to the setup in form of an interface measurement device, also known as a floating device to add a new measure to the setup. The floating device was based around a magnetic linear position sensor and a floater with a specific density to float at the desired layer in the emulsion. A selection of floaters was made and tested in water and model oil in small scale to achieve a working concept, both based around 3D-printing and a solid polyethene plastic pipe. The final iteration of floater was tested at a chosen impeller speed pattern at 20% WC to assure it behaved as intended. For the NexFlow part of the thesis, a set of 30 individual tests were completed and processed. The WC for the tests ranged from 1-99% and impeller blade angles at 30°, 45° and 90°. Oils tested were a mix of Exxol D60 and Primol 352. Impeller speed pattern with gradually increasing RPM (Revolutions Per Minute) was chosen to gather representative data. The results from the floating device tests showed as expected a rise in floater position as emulsification occurred and settling as the emulsion separated. With an additional test done, a problem with the high currents in the turbulent system became apparent. This affected the floater and real time separation measurement for impeller speeds above 400 RPM would not give reliable data. To overcome this issue, a proposed solution would be the implementation of a stilling well to counteract the currents. As for NexFlow, a selection of the tests was plotted to be assessed. A clear difference between the distinctive impeller blade angles was observable. In general the 30° and 45° impellers gave lower torque measurements due to the angle of attack and flow pattern generated. When looking at the droplet distribution, high fluctuation was visible at low impeller speeds. For impeller speeds above 2000 RPM, the Sauter Mean Diameter (Dsmd) stabilized at the equivalent size regardless of impeller blade angle and WC.