New Hydrate Management: New understanding of hydrate phenomena in oil systems to enable safe operation within the hydrate zone

Gasshydrater kan plugge rørledninger og prosessutstyr, og er en av de største utfordringene i olje- og gassproduksjon. De tradisjonelle metodene for å håndtere gasshydrater bidrar til en vesentlig del av utslippene fra petroleumssektoren, hovedsakelig gjennom bruk av store mengder varme og kjemikalier. En nylig casestudie konkluderte med at CO2-utslippene fra oljeproduksjon kan reduseres med 20 - 30% hvis man kan produsere helt uten å bruke tradisjonelle hydrathåndteringsmetoder*. Det er likevel ikke alle felt som vil kunne spare like mye, og ikke alle felt har behov for omfattende hydratbeskyttelse. Det er er likevel stort behov og interesse for å redusere både kjemikalie -og energi bruk i forbindelse med gasshydrater. Noen oljer inneholder naturlig forekommende hydrataktive komponenter som forhindrer hydratproblemer, men disse komponentene er ennå ikke identifisert. I dette prosjektet masse målet var å undersøke om Fourier Transforme Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrory Spectroscopy (FT-ICR MS) kunne brukes til å identifisere gasshydrategenskapene til råoljer. Arbeidet som ble gjort besto av å analysere prøver fra en rekke forskjellige råoljer som ble eksponert for gasshydrater. Videre ble akkumulering av gasshydrataktive oljekomponenter forsøkt ved å modifisere en prosedyre funnet i litteraturen. Spektrene ble analysert vhaavansert multivariat dataanalyse og maskinlæring. Målet er å komme et skritt nærmere å identifisere de hydrataktive komponentene som er ansvarlige for ikke-pluggende råoljesystemer. Denne kunnskapen kan brukes til å utvikle metoder som kan redusere miljøbelastningen fra oljeproduksjon betydelig, ved å unngå bruk av varme og kjemikalier. Flere oljer med ulike hydrategenskaper har til nå blitt testet, og de første analysene indikerer at det er mulig å oppkonsentrere de hydrataktive komponentene. Ved å tilsette de oppkonsentrerte komponentene til en olje har vi klart å endre oljens hydrategenskaper i positiv retning. Vi har utviklet nye, unike metoder innenfor multivariat dataanalyse, som vil hjelpe oss med å forstå koblingen mellom oljekomposisjon og hydrategenskaper. I tiden framover skal vi analysere flere oljer, og fortsette å lete etter "nåla i høystakken", altså de hydrataktive komponentene som gjør råoljer ikke-pluggende. Om vi lykkes kan dette være et viktig steg mot en mer bærekraftig energiproduksjon. Flere oljer med ulike hydrategenskaper har til nå blitt testet, og de første analysene indikerer at det er mulig å oppkonsentrere de hydrataktive komponentene. Ved å tilsette de oppkonsentrerte komponentene til en olje har vi klart å endre oljens hydrategenskaper i positiv retning. Vi har utviklet nye, unike metoder innenfor multivariat dataanalyse, som vil hjelpe oss med å forstå koblingen mellom oljekomposisjon og hydrategenskaper. I tiden framover skal vi analysere flere oljer, og fortsette å lete etter "nåla i høystakken", altså de hydrataktive komponentene som gjør råoljer ikke-pluggende. Om vi lykkes kan dette være et viktig steg mot en mer bærekraftig energiproduksjon.De endelige resultatene fra prosjektet indikerte at selv om FT-ICR MS er et formidabelt instrument, var det utfordrende å trekke ut trender når det gjelder gasshydrategenskaper for råoljer. Den ene grunnen var det relativt lave antallet prøver, og den andre var at komponentene som er hydrataktive kan variere fra olje til olje, og dermed kan plasseringen av responsene være på forskjellige steder i spektrene. Likevel klarte prosjektet gjennom ph.d.-arbeidet å indikere molekylære strukturer/sammensetninger som kan relateres til å være gasshydrataktive. I tillegg til FT-ICR MS- og gasshydrateksperimentene, ble det også utført «wheel flow loop»-tester på 7 råoljer, ved forskjellige vannkutt og prosedyrer. Resultatene ble deretter brukt til å utvikle algoritmer for å trekke ut relevante data som gassløseligheter, hydratkurvedynamikk, hydratdannelse og dissosiasjonskinetikk og strømningsegenskaper. Algoritmene som ble utviklet ble ansett som tilstrekkelig nye til å sendes inn for publisering. * Heiner Schümann, November 2021, "Feasibility and environmental analysis for a 100 km tie-back solution with cold-flow", webinar in LowEmission project (p.nr. 296207)

- Have indicated that gas hydrate active components can be accumulated using a “spiking procedure”, described in the published work. - Applied standard and updated models and algorithms to evaluate FT-ICR MS spectra on crude oils on new applications - Developed multi-block methods to analyse spectra from different sources and trained models to predict density of crude oils. Results showed that multi-block method was superior to predicition based on only one type of spectra. Published in paper. - New algorithms were developed, based on state-of-the-art knowledge to extract data from wheel flow loop tests that were not previously done. This algorithm will be used by SINTEF in the future and will provide increased value to industry end users of SINTEFs experiments. It will be published in open access journal. - 5 new researchers have been introduced to gas hydrate research and have gained training in various aspects ranging from conducting experiments, to development of thermodynamic and kinetic models. The increased knowledge on gas hydrates will gain SINTEF, NMBU and the industry partners in the future. - SINTEF and NMBU have gained increased knowledge on each others competences and will seek further cooperation in future projects.

For the petroleum industry, risk-based hydrate management can be a viable strategy for significantly widening the operational window. The traditional approach has been to avoid entering the hydrate region (high pressure and low temperature) altogether by temperature control (insulation and heating), chemicals (methanol and glycols) and pressure control. Although ensuring safe operations these remedies are costly for longer and colder transport conditions and not necessarily environmentally sound. This project will help meet demands of marginal field developments and operations in Artic areas by advancing the new fundamental knowledge of gas hydrate properties and develop methods for risk assessment and cost-effective hydrate management. From field experience, it is known that some oil pipelines are easily plugged by gas hydrates while others are transportable. This is commonly accepted to be due to naturally occurring polar components in the crude oils. A main goal is to combine the increased resolution of mass spectrometry (using the SINTEF owned FT-ICR MS) and advanced multivariate data analysis, block chain and machine learning to identify the hydrate-active components in crude oils. Hydrate properties in terms of plugging risk and transport properties will be measured for a number of crude oil systems (tentatively 30), and extraction of hydrates for analysis will be done. Prediction tools will be developed, relating the structure of possible hydrate active components to the hydrate properties, thus providing new understanding of gas hydrates in crude oil systems and serve as basis for developing new guidelines for risk-based hydrate management. Ultimately the results can be used for input and validation of multiphase flow models necessary for prediciton of safe operation areas for transport within the hydrate region. Industri partners will play an active role in the project with expertise and oil samples. A reference group with experts will be established.