Integrated Crude Oil Transport under Arctic conditions

På grunn av uttømningen av konvensjonelle råoljer går produksjonen for tiden mot ukonvensjonelle råoljer (sur, tung og ekstra tung) og til råoljer i ekstremt og hardt miljø. Barentshavet i Arktisk-området er et eksempel. Transport av fremtidig olje produsert i dette området vil være utfordrende på grunn av lave temperaturer og isdekt havoverflate. Ved lave temperaturer kan forbindelser som voks og gasshydrat krystallisere og forhindre transport av olje ved å tette rørledningen. Gasshydrater er faste stoffer som dannes av vann- og gassmolekyler så som metan hvilke krystalliserer under trykk og ved temperaturer høyere enn 0 ° C. Gasshydratene er generelt dannet som partikler som kan holde seg sammen og tette rørledningen. Voks er lange molekyler dannet bare av karbon og hydrogenatomer. De kan krystallisere og føre til olje transport problem når råoljen er nedkjølt til under en kritisk temperatur. Siden Barentshavet er delt av Russland og Norge, har dette programmet som mål å utvikle samarbeid mellom forskergrupper fra de to landene innen transport av råolje. Forskningsgruppene er: -Ugelstadlaboratoriet (UL) / NTNU i Trondheim, Norge. -The Chemistry Department / Murmansk State Technical University (MSU), Russland I programmet vil tre master- og doktorgradsstudenter fra MSU ha kommet flere ganger til Trondheim for å bli utdannet til moderne instrumentering i kolloidkjemi og utføre forskningsarbeid under tilsyn av forskere i Ugelstad laboratoriet. I besøksperioder har MSU-studenter studert krystalliseringen av dråper med vann fordelt i råolje (vann-i-olje-emulsjoner) for å forstå egenskapene til gasshydrater. Deres arbeid innebærer fremstilling og karakterisering av råolje og modellemulsjoner med variable parametere, så som vannfase-konsentrasjon, emulgeringsbetingelser, saltholdighet og sammensetning av vannfasen. Påvirkningen av disse parametrene på dråpestørrelsesfordelingen (DSD) er evaluert ved hjelp av Nuclear-Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR) og Digital Video Microscopy (DVM). DSD-profiler og gjennomsnittlige dråpestørrelser er korrelert til krystallisasjonsadferd til vanndråpene og måles ved hjelp av Differential Scanning Calorimetry (DSC). Teknikken tillater også evaluering av emulsjonsstabilitet under krystallisering. DSC har også blitt implementert for å bestemme hvor raskt dråpene krystalliseres som en funksjon av forskjellige sammensetninger. Resultatene har gjort det mulig å foreslå en matematisk modell av prosessen, som tilnærmer eksperimentelle data tilstrekkelig nøyaktig. Til slutt har dette studiet fått til å utvikle en modell som beregner hvor mye vann i dråper krystalliseres som en funksjon av tiden. Etter å ha analysert modellgashydrater, har det neste steget i studiet bestått i å studere stabiliteten av gasshydrat under realistiske forhold. Til dette formålet har MSA doktorand Daria Kolotova utført en besøksperiode på fasilitetene til NalcoChampion i Aberdeen, Storbritannia, for å utføre eksperimenter på spesialisert trykkinstrumentering. Under besøket har fru Kolotova studert handlingsmekanismen av kjemikalier, som forhindrer agglomerering av gasshydratpartikler (anti-agglomerant-AA). Hun fastslår at tilsetningen av AA fører til en reduksjon i hydratformasjonen til sammenligning med systemer som ikke inneholder AA. Tilsetning av AA forhindrer blokkering av celler med hydrater (redusert viskositet). Det ble også vist at vann-i-råoljeemulsjoner mister stabiliteten etter hydratdissosiasjon i nærvær av AA. Til slutt er det foreslått en mekanisme for AA-tiltak. Til slutt har påvirkning av vokskrystaller på råoljeemulsjonsstabilitet følgelig blitt studert. Resultatene viser at vokskrystall kan øke stabiliteten av råoljeemulsjonen, spesielt hvis de er tilstede under emulgeringsprosessen. En økning av voksinnholdet ville imidlertid føre til destabilisering.

The project has allowed to develop collaboration between Ugelstad Laboratory/NTNU in Norway and Department of Chemistry/Murmansk State Technical University in Russia thanks to the visit of Russian students in Trondheim. 3 students (2 MS and 1 PhD) have been trained by the researchers at UL. The research works performed by Russian students at UL have dealt with properties of gas hydrates and waxes. These compounds are responsible in issues in crude oil transportation under low temperature conditions. The project has allowed to gain knowledge on the mechanism of formation of gas hydrates, and their properties. The influence of waxes on the stability of water-in-crude oil emulsions was also determined. The knowledge gained in the project will allow to develop better strategy to mitigate issues associated to the formation of gas hydrates and waxes during the crude oil transportation, especially in artic area.

This program will establish Murmansk State Technical University (MSTU) as a leading academic center for flow assurance R&D by cooperating with Ugelstad Laboratory on development of new flow assurance technology for Arctic conditions. Two PhD students will be based at MSTU and one post-doc will be based at Ugelstad Laboratory. The PhD students will receive training and regular exchange periods at Ugelstad Laboratory, which will serve to elevate competence in colloid and surface science, while the majority of the research work will be performed at MSTU. The post-doc will work to ensure a high level of competence transfer to MSTU, while overseeing advanced research activities related to petroleum production. The joint research and education program for the PhD students will entail regular courses, student colloquia, research meetings, internal/external presentations, and high level one-on-one research discussions. The joint research project will map phase stability and rheological stability of ice-in-oil dispersions stabilized by asphaltene-modified wax solids, resin-stabilized asphaltene nanoaggregates, indigenous surfactants, and synthetic emulsifiers. Ice-in-oil dispersions will serve as a justified analogy to hydrate dispersions in oil. A new comprehensive predictive model for ice-in-oil dispersion stability will provide a scientific basis for a new Arctic flow assurance technology in which precipitated particles, surface active agents, and qualified emulsification serves to eliminate a free water phase in the transport medium, circumventing production problems with gas hydrates, corrosion and scaling. An important facet of the program will be to hold open academic courses on flow assurance and rheology in Murmansk, promoting use of innovative research methodologies in development of flow assurance technologies. The courses will elevate strategic competence in a key industrial sub-discipline, while strengthening ties between researchers in Norway and Russia.