PIRE: Multi-scale, Multi-phase Phenomena in Complex Fluids for the Energy Industries

I prosjektet PIRE Complex fluids er overflatefenomener på grenseflater mellom væske-væske, fast stoff-væske og gass-væske undersøkt på mikroskopisk nivå. Videre har man i større skala undersøkt effekten av overflategenskaper på fluidstrømning og energitransport for væsker sammensatt av mange ulike fluider for å oppnå spesielle egenskaper til fluidblandingen (komplekse flerfasesystemer). Prosjektet er støttet av National Science Foundation, USA som en del av det internasjonale PIRE-programmet (Partnerships for International Research and Education). Prosjektet ledes av City University of New York (CUNY) og har samarbeidende partnere fra Frankrike (4), Tyskland (5) og Norge (3). De tre norske partnerne SINTEF, NTNU og UiO, koordineres av SINTEF og arbeidet deres er finansiert av Forskningsrådet. Samarbeidet har hatt til hensikt å fremme kunnskap og betydningsfulle vitenskapelige oppdagelser som som grunnlag for innovasjoner både for eksperimentelle metoder og matematiske beskrivelser. Dette har gitt grunnlag for forbedringer i energi- og prosess-effektivitet i industrielle systemer på en global skala. Det har også styrket utdanning og trening av studenter og unge forskere ved å gi dem en unik anledning til å delta i betydningsfull internasjonal forskningsaktivitet. Studiene har omfattet egenskaper til syntetiske emulsjoner og fluidblandinger og dekker mange anvendelser i energiindustrien. Hovedtema for norske partnere har vært partikkelutfelling i borevæsker, dannelse av gasshydrater, fordeling av gassbobler i komplekse væsker og separasjonsegenskaper i olje-vann systemer ved tilstedeværelse av overflateaktive stoffer. I forbindelse med lagring av CO2 fanget fra industrianlegg skal det bores mange brønner på norsk sokkel framover. Arbeidet og resultater fra prosjektet vil være meget nyttig for å redusere usikkerhet og faremomenter ved slik boring for CO2-lagring, i tillegg til å være viktig ved boring etter petroleumsforekomster. I prosjektet har det blitt utviklet metoder for å karakterisere endringer i egenskapene til borevæsken når man borer brønner inn i soner der man treffer på CO2, i såkalte modne områder for CO2-lagring. Metodene som er utviklet er tatt i bruk i et prosjekt som skal bidra til hindre uønskte hendelser ved boring av brønner for CO2-lagring. Eksempel på slike hendelser er brønn-spark med gassutblåsning eller blokkering av borevæske på grunn av dannelse av CO2-hydrater; krystaller med CO2 og vann. Hovedutfordringer for studiene har vært valg og utforming fluidsystemer, både for eksperimentelle studier og utvikling av matematisk beskrivelser av fluidenes oppførsel og egenskaper. Dette gjelder både vekselvirkning mellom molekyler og de overordnete egenskapene til flerfaseblandingene. SINTEF og CUNY har, med innspill fra borevæskeleverandøren MI-Swaco, utarbeidet framgangsmåter for å lage væsker som kan gjenskapes med like egenskaper. Dette er væsker av type "ikke-newtonsk" som blir en tilnærmet stiv væske ved stillstand og mer lettflytende når den settes i bevegelse. Slike væsker utviklet for boring er en blanding av mange fluidkomponenter og er også tilsatt partikler som vektmateriale. I prosjektet er det etablert metoder for å forstå for vekselvirkningen mellom fluidblandingens strømningstilstand og evnen fluidblandingen har til å holde på tyngre vektpartikler og unngå utfelling av vektmateriale tilsatt fluidblandingen. I laboratorie-skala er det etablert test-oppsett hos norske og internasjonale partnere der man har undersøkt tidsforløp av tetthet av væsken målt ved ulike høydeposisjoner i en vertikal kolonne av en ikke-newtonsk væske tilsatt vektmateriale. Videre er romlig, lokal effektiv viskositet for fluidblandingen undersøkt ved ulike strømningtilstander (skjærpåvirkning). Det er påvist at riktig varmebehandling av fluidblandingen er avgjørende for å unngå at vektmateriale (baritt-partikler) feller ut fra væsken. Parallelle undersøkelser gjennomført hos SINTEF/ NTNU og CUNY har samtidig vist at slik varmebehandling også øker viskositet og bestandighet av fluidegenskapene. Særlig har undersøkelser med skjær-oscillerende reometer, et instrument som måler seigheten til en fluid, vist seg som en svært nyttig metode for å bestemme ved hvilke betingelser fluidblandingen mister sin evne til å holde på vektmaterialet.

Outcomes: Significant in-depth knowledge on fundamental mechanisms of fluid-fluid-particle interactions has been achieved throughout the project. This is especially important when it comes to the know-how on non-Newtonian flow behaviour or phase transition during change in process conditions. The project work has improved the performance prediction of non-Newtonian fluids and the understanding of its macroscopic behaviour. Specific topics addressed are the properties of artificially made emulsions and fluid structures covering a broad range of applications for the energy industries. Main topics for Norwegian partners have been particle sedimentation in drilling fluids, formation and control of gas hydrates, and separability impact in oil-water systems as affected by surface active compounds. Competence and analysis methodologies have in particular been developed for the qualifying and characterisation of drilling fluids for the drilling of wells for CO2-storage in in-fill regions. The methodologies are presently being used for safeguarding future drilling of wells for CO2 storage. The joint effort between the lead institution CUNY (The City College of New York of the City University of New York) and the partner institutions in Norway, France and Germany, including both academic staff, students and research institutions has contributed to gain new important insight into the addressed multi-phase phenomena. It has also provided training for education and training of students and early career researchers. The strong collaboration between Norwegian partners and the lead institute of CUNY have resulted in several joint publications. The results have a considerable potential for the Norwegian industries in order to maintain their high standard in safe, cost-efficient and environmentally friendly energy production, in particular relating to the utilisation of hydrocarbon resources and the allocation for subsurface CO2- storage. Impacts: The Norwegian Partner Institutions SINTEF, NTNU (The Norwegian University of Science and Technology), UIO (University of Oslo) have benefitted from the cross-disciplinary PIRE project by the strategically important connection to the lead institution CUNY. New collaboration initiatives have been established based on the PIRE project. Other important relations include the French institutes IRSTEA and ENSTA ParisTech. The analysis methodologies developed for the characterisation of drilling fluids for CO2 wells have been implemented for new ongoing technology qualification. As such the project results are believed to play an important role in the efforts for safely and efficiently realizing CO2 storage. Accordingly, the project results are used for CCS, one of the important climate actions for reaching the 2-degree scenario as defined by the UN Climate Action Framework.

This PIRE project will investigate microscopic phenomena occurring at liquid-liquid, solid-liquid and gas-liquid interfaces, and their effects on bulk fluid flow and energy transport in complex, multi-phase systems. The collaborative research will advance knowledge and make transformative scientific discoveries that will result in innovations in both experimental and modeling methods, leading to improvements in energy and process efficiency in industrial systems on a global scale. It will also accelerate education and training of students and early career researchers by providing them unique opportunities to participate in substantive international research experiences, taking advantage of the scope, scale, expertise, and facilities of the PIRE network. The Norwegian partners will collaborate with City College of New York (lead institution) and four partners each in France and Germany. The resources and research infrastructure available within and across institutions will be shared to build strong international partnerships and enable research advances in multi-phase fluids that could not occur otherwise. This PIRE project includes four research thrusts wherein microscopic-scale insight into molecular and interfacial control of transport phenomena would result in transformative improvements in commercial-scale energy processes: asphaltenes, gas hydrates, drilling fluids, and phase-change nano-emulsions, with diverse applications in oil & gas, CO2 storage, thermal energy storage, and environmentally friendly refrigeration.