New Strategy for Separation of Complex Water-in-Crude Oil Emulsions: From Bench to Large Scale Separation

Gjennom produksjonen av råolje blandes vann inn i oljen og emulsjoner dannes, dvs. vanndråper i oljefasen. Grunnet økonomiske og miljømessige hensyn må disse emulsjonene brytes for å oppnå vannfri olje og rent vann. Siden miljøkravene stadig blir strengere, er det viktig å forbedre olje-vann separasjonen for effektiv prosessering av den økende mengden komplekse produksjonsvæsker. Dette er grunnen til at det nye prosjektet har som mål å forbedre kunnskapen om vann-olje separasjonsprosesser, samt å utvikle nye separasjonsstrategier ved å fokusere på: 1. Øke kunnskapen om egenskapene og sammensetningen av asfalten lag (råolje komponenter) som dannes mellom olje og vann. Det er dette laget som er årsak til separasjonsproblemer. 2. Forbedre olje-vann separasjon ved å kombinere to metoder for å bryte emulsjoner; anvendelse av elektrisk felt (kalt elektrokoalesens) og tilsats av kjemikalier kalt emulsjonsbrytere. Prosjektet har Ugelstad laboratoriet (NTNU) som vertsinstitusjon, og vil bli gjennomført i samarbeid med universitetet i Alberta i Canada, Swiss Federal Institute of Technology (ETH) i Sveits, og IFE på Kjeller og i tett samspill med Anvendt Teknologi, Equinor, Nalco Champion, Nouryon og Sulzer som industrielle sponsorer. Prosjektet har bestått av fem ulike forskningsaktiviteter. Interaksjon mellom asfaltener og modellemulsjonsbrytere i bulkfase har blitt studert med følgende teknikk: Small-Angle Neutron Scattering. Det ble påvist at modellemulsjonsbrytere adsorberer for så å bryte aggregater som blir dannet grunnet asfaltener i løsning. - For det andre: Det har blitt utført ett studie på struktur og egenskaper av asfalten-lag på fast overflate, samt mellom olje og vann. Den interne strukturen av asfalten-lag er fastslått ved nøytron reflektometri. Deretter er mekaniske egenskaper av asfalten-lagene ved tilsetting av kjemiske emulsjonsbrytere blitt fastslått med en ny teknikk som er utviklet ved ETH. Asfaltener har hovedsakelig elastisk karakter, og fører til stabile emulsjoner, noe som faller bort ved emulsjonsbrytere til stede. - For det tredje: for å oppnå kunnskap om effekten av elektrisk felt på grenseflaten, ble det utviklet et nytt oppsett og matematisk databehandling. Dette gjør det mulig å måle egenskaper mellom en enkelt vanndråpe og modellolje under påvirkning av et elektrisk felt (grenseflatespenning). Det ble vist at overforing av råolje komponenter grenseoverflaten ble økt ved bruk av elektrisk felt sammenlignet med å kjøre uten elektrisk felt, på grund av den materiebevegelse som oppstår rundt dråpen under påvirkning av elektrisk felt. Et annet laboratorieoppsett har blitt utviklet for å studere samspillet mellom to dråper og deres stabilitet under påføring av elektrisk felt. Hvordan den kjemiske sammensetningen påvirket attraksjon og stabilitet mellom dråper hvert også bestemt. - For det fjerde ble elektrokoalesens fenomenet studert med metoden Dissipative Particle Dynamics. Denne modelleringsteknikken gjør det mulig å bestemme effekten av emulsjonsbrytere på filmer som er stabilisert med vann dråper. Funn viste at porer blir dannet i disse filmene med elektrisk felt tilstede. -Til slutt; endelig har synergien mellom kjemiske emulsjonsbrytere og elektrokoalesens for å separere olje og vann blitt undersøkt på liten skala (2 milliliter) og ved høy temperatur ved Ugelstad Laboratoriet. Dette studiet ble gjort mulig ved å utvikle et nytt oppsett for å gjenskape det elektriske feltet som anvendes i en industriell separator og nye Nuclear magnetisk resonans (NMR) prosedyrer som gjør det mulig å følge opp olje-vann separasjon. Det ble vist at i fravær av kjemiske emulsjonsbrytere, er det en kritisk elektrisk feltstyrke der separasjon ikke blir forbedret selv om feltstyrken økes. Når elektrokoalesens påføres i kombinasjon med kjemiske emulsjonsbrytere, er separasjonssynergien forbedret bare ved lav elektrisk feltstyrke. Over et gitt felt, dominerer det elektriske feltet separasjon effektivitet. Dataene fra denne teknikken har blitt sammenlignet med resultatene fra andre teknikker som er utformet for å vurdere olje-vann separasjon. Det ser ut til at, selv om de ulike teknikkene gir lignende trender, eksisterer forskjeller som synes å være relatert til prøvepreparering (emulgeringsforhold). Siden oppstarten har forsknings partnerne rapportert resultatene og konklusjonene som er oppnådd i prosjektet til sponsorene hver sjette måned. 9 vitenskapelige artikler er publisert og 2 er i forberedelse. 1 post-Doktor og 2 masterstudenter har blitt utdannet i programmet, samt at 2 PhD. Resultatene fra prosjektet kommer at vare anvendbare for at danne en bedre beskrivelse og bedre simulasjoner av olje-vann seperasjon.

The results have allowed to develop new techniques and obtaining new knowledge on oil-water systems. We anticipate they will allow to improve separation strategies. Techniques: A new algorithm to measure the interfacial tension in presence of electric field. Improvement of a modeling technique, Dissipative Particle Dynamics, considering of electric field on the interface. The two improvements will allow new scientific investigations. New NMR techniques to follow up oil-water separation. They can be implemented by the Norwegian-company Anvendt Teknologi. Knowledges: Structure of the asphaltene layer at the interface, its rheological properties, and the influence of demulsifiers. Improved adsorption of asphaltenes onto droplets in presence of electric field. Determination of the attraction and the merger between two droplets when an electric field is applied. The range of improvement of separation by combining chemical demulsification and electrocoalescence is determined.

Water-in-oil emulsions (w/o) are formed during production, transport, and processing of petroleum crude oils and will impose a separation problem. The need to improve separation efficiency is accelerated by large water volumes, environmental constraints, subsea concept Development and low oil prices. The current project combines modelling and experimental activities in Norway and internationally. It aims at a better understanding of complex petroleum systems and to develop new separation strategy combining chemicals and electrocoalescers. The results will be integrated in separation modelling, instrument development and for new environmental-friendly chemicals. The project will have Ugelstad Laboratory as host institution but will be conducted in collaboration with several experts in separation and colloid chemisty: -Dr. Morad Amarzguioui and Erik Bjorklund, specialists in the field of electrostatic separation instumentation and large scale experiments, Wärtsilä Oil and Gas, Oslo. -Prof. Kenneth Knudsen, neutron techniques, IFE, Kjeller. -Dr. Geir Sørland, NMR method development, Anvendt Teknologi A/S, Trondheim. -Prof. Jan Vermant, interfacial phenomena, ETH Zurich, Switzerland. -Prof. Zhenghe Xu, colloid chemistry and emulsion technology, University of Alberta, Canada. -Prof. Roar Skartlien, Modelling, IFE/UL. This project is based on competence from two former programs: -Increased Energy Savings in Water/Oil Separation Through Advanced Fundamental Emulsion Paradigms, KPN Petromaks number 207538. -The Multiphase Flow Assurance Centre, SFI number 174974/I30 The activities of the proposal will be complimentary to and support for the research impact in the centre for research-based innovation (SFI) "Subsea Processing and Production (SUBPRO)" number 237893 in which Ugelstad Laboratory is one of the key partners.T